La stazione di terra è un componente cruciale del segmento di terra per la comunicazione spaziale, fungendo da infrastruttura terrestre che stabilisce la comunicazione con i satelliti in orbita o con missioni nello spazio profondo per integrare e supportare le relative operazioni. Tipicamente equipaggiata con sofisticate antenne, ricevitori e trasmettitori, una stazione di terra agisce da ponte, facilitando il flusso di informazioni che permette l’acquisizione dei dati del satellite, il controllo e la trasmissione dei carichi utili. Il segmento di terra ha le funzioni principali:
• Supportare lo spacecraft ed il payload:
– mantenere la comunicazione RF
– comandare e controllare il carico e il satellite
– processare le informazioni
– determinare orbita, posizione e velocità del satellite
– inseguire il satellite
• Interfacciarsi con gli utenti:
– fornirgli dati richiesti
– ricevere eventuali richieste di controllo
Il segmento di terra è composto da stazioni di terra e centri di controllo, che lavorano assieme per supportare il satellite e gli utenti. Esso comanda e controlla il satellite in base alle richieste degli utenti al centro di controllo.
• Stazioni di terra: Acquisiscono dati dal satellite ed i suoi strumenti; dotandoli di tutte le informazioni che essi possono necessitare.
• Centri di controllo: prendono le decisioni per la missione, occupandosi sia dell’interfaccia verso gli utenti sia di gestire l’interfaccia con il segmento spazio.
Le attrezzature di gestione dei dati includono interfacce di rete, apparecchi di multiplexing/demultiplexing e dispositivi di elaborazione del segnale dedicati a gestire informazioni relative a telemetria, dati di missione e comandi. Possono arrivare simultaneamente a una stazione di terra molteplici segnali a diverse frequenze, come nel caso dei satelliti GEO, e l’estrazione delle informazioni deve essere effettuata per ciascuno di essi. Per questo motivo sono necessari diversi (e ridondanti) modulatori e demodulatori con i rispettivi up-converter e down-converter anche per affrontare malfunzionamenti o gestire complessità associate a certi satelliti. I convertitori sono dispositivi utilizzati per effettuare una traduzione della frequenza del segnale per agevolarne l’amplificazione. Successivamente, vengono combinati in un unico segnale con un apposito combiner ed amplificati da un amplificatore ad alta potenza, raggiungendo il diplexer e infine l’antenna, che li trasmette. Durante la ricezione dei dati avviene un processo inverso in modo simile.
Come funziona una stazione di terra per comunicazione spaziale? Schema a blocchi di un segmento di terra con stazione di terra.
Stazioni di terra
Una delle funzioni principali di una stazione di terra è stabilire e mantenere la comunicazione con i satelliti che orbitano attorno alla Terra o nello spazio profondo: ciò implica l’inseguimento delle loro traiettorie in cielo, garantendo il preciso puntamento delle antenne e compensando la natura dinamica della meccanica orbitale. Le stazioni di terra sono strategicamente posizionate per fornire una copertura continua, consentendo una comunicazione senza interruzioni mentre i satelliti si spostano nel cielo. Inoltre, sono dotate di avanzati sistemi di inseguimento e protocolli di comunicazione per ottimizzare la ricezione e la trasmissione del segnale. Questi sistemi sono progettati per mitigare sfide come interferenze atmosferiche, degrado del segnale e gli effetti della rotazione terrestre, garantendo una comunicazione affidabile e di alta qualità con i satelliti.
Oltre alla comunicazione in tempo reale, le stazioni di terara svolgono un ruolo vitale nella ricezione e distribuzione dei dati. Ricevono ed elaborano le informazioni trasmesse dai satelliti, incluse telemetria, dati scientifici e immagini. Questi dati vengono quindi divulgati agli utenti finali, ai centri di controllo delle missioni o alle strutture di elaborazione per ulteriori analisi e utilizzi.
In base al passaggio del satellite, è necessario puntare con precisione le antenne. Per fare ciò, le antenne sono dotate di sistemi di controllo con feedback. Questi sistemi determinano l’orientamento desiderato, lo confrontano con l’orientamento attuale e attivano i motori per muovere l’antenna e correggere eventuali errori, regolando sia gli angoli di elevazione che quelli di azimut. Si tratta di un sistema di controllo a ciclo chiuso che coinvolge sensori per misurare l’orientamento dell’antenna, un’unità di controllo che definisce istante per istante la posizione desiderata e un componente di controllo con attuatori che muovono l’antenna. Per determinare l’orientamento desiderato, è necessario stabilire la posizione del satellite utilizzando software specializzati. I propagatori orbitali, modelli matematici che tracciano i satelliti e, attraverso le efemeridi, stimano le posizioni dei satelliti, vengono impiegati a questo scopo. Questi modelli calcolano il puntamento ottimale definendo istante per istante quando il satellite entra in visibilità della stazione di terra.
Two-Line Elements (TLE)
Solitamente, partendo dai Two-Line Elements (TLE), forniti quotidianamente, i propagatori vengono utilizzati per determinare quando il satellite entra nella visibilità della stazione di terra, istante per istante. Una volta noto un certo istante, vengono determinati comandi di azimut ed elevazione per il sistema di inseguimento dell’antenna per orientarla con precisione. Il set TLE è un formato dati utilizzato per descrivere i parametri orbitali di un satellite in orbita attorno alla Terra e di altri oggetti spaziali (come il monitoraggio dei detriti spaziali) per un dato istante. Utilizzando una formula di previsione appropriata, la posizione e la velocità in qualsiasi punto nel passato o nel futuro possono essere stimati con una certa precisione. Il formato tipico include due righe che riassumono i parametri orbitali di un satellite:
• LINE 1: informazioni generali, come il numero del satellite, l’International Designator (un ID assegnato agli oggetti artificiali nello spazio), il tempo specifico e certi parametri orbitali come l’inclinazione, l’ascensione retta e l’eccentricità.
• LINE 2: ulteriori dettagli dell’orbita, tra cui l’argomento del perigeo, l’anomalia media, la velocità angolare media (movimento medio) e il numero di rivoluzione all’epoca.
Questi elementi devono essere aggiornati per tener conto delle variazioni dell’orbita di un satellite causate da varie perturbazioni come il gradiente gravitazionale e la resistenza atmosferica.
Come funziona una stazione di terra per comunicazione spaziale? In base al passaggio del satellite, è necessario puntare con precisione le antenne di una stazione di terra.
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