نظام تتبع ونقل البيانات عبر الأقمار الصناعية

نظام الأقمار الصناعية الأمريكي لتتبع البيانات ونقلها ( TDRSS ، يُنطق "تي-دريس") هو شبكة من أقمار الاتصالات الأمريكية (يُطلق على كل منها اسم قمر صناعي لتتبع البيانات ونقلها ، TDRS) ومحطات أرضية تستخدمها وكالة ناسا للاتصالات الفضائية. صُمم النظام ليحل محل شبكة المحطات الأرضية الحالية التي كانت تدعم جميع رحلات ناسا المأهولة. كان الهدف الرئيسي من التصميم هو زيادة مدة اتصال المركبات الفضائية بالأرض وتحسين كمية البيانات التي يمكن نقلها. أُطلقت العديد من أقمار تتبع البيانات ونقلها في ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي مع مكوك الفضاء ، واستخدمت المرحلة العلوية بالقصور الذاتي ، وهي صاروخ معزز يعمل بالوقود الصلب ذو مرحلتين طُوّر خصيصًا للمكوك. كما أُطلقت أقمار أخرى من نظام TDRS بواسطة صواريخ أطلس 2a وأطلس 5 .

يوفر الجيل الأحدث من الأقمار الصناعية معدلات استقبال أرضية تبلغ 6  ميجابت/ثانية في النطاق S و800  ميجابت/ثانية في النطاقين Ku و Ka . ويستخدم هذا بشكل رئيسي من قبل الجيش الأمريكي. ^{[ 1 ]}

في عام 2022، أعلنت وكالة ناسا أنها ستتخلص تدريجياً من نظام TDRS وستعتمد على مزودي خدمات الاتصالات عبر الأقمار الصناعية التجاريين. ^{[ 2 ]}

لتلبية متطلبات الاتصالات الفضائية الأرضية طويلة الأمد وعالية التوافر، أنشأت وكالة ناسا شبكة تتبع المركبات الفضائية وجمع البيانات ( STADAN ) في أوائل الستينيات. تتألف هذه الشبكة من هوائيات طبقية مكافئة ومعدات تحويل هاتفية موزعة حول العالم، وقد وفرت اتصالات فضائية أرضية لمدة 15 دقيقة تقريبًا من فترة مدارية مدتها 90 دقيقة. كانت فترة الاتصال المحدودة هذه كافية للمركبات الفضائية غير المأهولة، لكن المركبات الفضائية المأهولة تتطلب وقتًا أطول بكثير لجمع البيانات.

بعد برنامج STADAN مباشرةً في أوائل الستينيات، أُنشئت شبكةٌ متوازيةٌ تُعرف باسم شبكة رحلات الفضاء المأهولة (MSFN)، والتي تفاعلت مع المركبات الفضائية المأهولة في مدار الأرض. كما أُنشئت شبكةٌ أخرى، هي شبكة الفضاء السحيق (DSN)، والتي تفاعلت مع المركبات الفضائية المأهولة على ارتفاع يزيد عن 10,000 ميل من الأرض، مثل مهمات أبولو ، بالإضافة إلى مهمتها الأساسية المتمثلة في جمع البيانات من مجسات الفضاء السحيق.

مع إنشاء مكوك الفضاء في منتصف سبعينيات القرن الماضي، برزت الحاجة إلى نظام اتصالات فضائي عالي الأداء. وفي نهاية برنامج أبولو، أدركت ناسا أن شبكتي MSFN وSTADAN قد تطورتا لتتمتعا بقدرات متشابهة، فقررت دمج الشبكتين لإنشاء شبكة تتبع المركبات الفضائية والبيانات (STDN).

حتى بعد توحيدها، لم تخلُ شبكة الاتصالات الرقمية القياسية (STDN) من بعض العيوب. فنظرًا لأن الشبكة بأكملها كانت تتألف من محطات أرضية موزعة حول العالم، فقد كانت هذه المواقع عرضة للتقلبات السياسية للدولة المضيفة. وللحفاظ على معدل موثوقية عالٍ وسرعات نقل بيانات فائقة، بدأت وكالة ناسا دراسةً لتعزيز النظام بعُقد اتصال فضائية.

سيعتمد الجزء الفضائي من النظام الجديد على أقمار صناعية في مدار ثابت بالنسبة للأرض. وبفضل موقعها، تستطيع هذه الأقمار إرسال واستقبال البيانات من وإلى أقمار صناعية في مدارات أدنى، مع الحفاظ على نطاق رؤية المحطة الأرضية. ستستخدم كوكبة TDRSS التشغيلية قمرين صناعيين، يُرمز لهما بـ TDE وTDW (للشرق والغرب ) ، بالإضافة إلى قمر احتياطي في المدار.

بعد إتمام الدراسة، أدركت ناسا ضرورة إجراء تعديل طفيف على النظام لتحقيق تغطية عالمية كاملة. إذ توجد منطقة صغيرة خارج نطاق رؤية أي قمر صناعي، تُعرف باسم "منطقة الاستبعاد" (ZOE). في ظل هذه المنطقة، لا يستطيع أي من قمري TDRS الصناعيين الاتصال بمركبة فضائية على ارتفاع أقل من 646 ميلًا بحريًا. وبإضافة قمر صناعي آخر لتغطية منطقة الاستبعاد ومحطة أرضية قريبة، أمكن تحقيق تغطية كاملة. وقد أسفرت دراسة الشبكة الفضائية عن نظام أصبح فيما بعد أساس تصميم شبكة TDRSS الحالية. ^{[ 3 ]}

في وقت مبكر من الستينيات، قامت برامج الأقمار الصناعية لتكنولوجيا التطبيقات (ATS) والأقمار الصناعية لتكنولوجيا الاتصالات المتقدمة (ACTS) التابعة لناسا بوضع نماذج أولية للعديد من التقنيات المستخدمة في TDRSS وغيرها من أقمار الاتصالات التجارية، بما في ذلك الوصول المتعدد بتقسيم التردد ، وتثبيت المركبات الفضائية ثلاثي المحاور، وتقنيات الاتصالات عالية الأداء.

اعتبارًا من يوليو 2009 مدير مشروع نظام تتبع الأقمار الصناعية (TDRS) هو جيف ج. غرامبلينغ، من مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا. ^{[ 4 ]} تقاعد روبرت ب. بوكانان، نائب مدير المشروع، بعد 41 عامًا قضاها في ناسا، وكان نظام تتبع الأقمار الصناعية (TDRS) من بين آخر مهامه. تتولى شركة بوينغ مسؤولية بناء نظام تتبع الأقمار الصناعية (TDRS) في محطته K. ^{[ 5 ]}

يشبه نظام TDRSS معظم أنظمة الفضاء الأخرى، حيث يتكون من ثلاثة أجزاء: الجزء الأرضي، والجزء الفضائي، وجزء المستخدم. تعمل هذه الأجزاء الثلاثة معًا لإنجاز المهمة. قد يؤدي أي عطل أو خلل في أي جزء منها إلى عواقب وخيمة على باقي النظام. لهذا السبب، تم تصميم جميع الأجزاء بنظام احتياطي.

يتألف الجزء الأرضي من نظام TDRSS من ثلاث محطات أرضية تقع في مجمع وايت ساندز (WSC) جنوب نيو مكسيكو، ومحطة غوام الأرضية البعيدة (GRGT) في محطة غوام للحاسوب والاتصالات البحرية ، ومركز التحكم بالشبكة في مركز غودارد لرحلات الفضاء في غرينبيلت، ميريلاند . تُشكل هذه المحطات الثلاث قلب الشبكة، حيث تُقدم خدمات القيادة والتحكم. وفي إطار عملية تحديث النظام التي اكتملت، تم بناء محطة جديدة في بلوسوم بوينت، ميريلاند. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يتألف مركز WSC، الواقع بالقرب من لاس كروسيس، من:

• محطة وايت ساندز الأرضية (WSGT) 32°30′03″ شمالاً 106°36′31″ غرباً / 32.5007° شمالاً 106.6086° غرباً / 32.5007; -106.6086
• المحطة الأرضية الثانية لنظام TDRSS (STGT) 32°32′35″ شمالاً 106°36′43″ غرباً / 32.5430° شمالاً 106.6120° غرباً / 32.5430؛ -106.6120
• محطة أرضية موسعة لنظام TDRS

بالإضافة إلى ذلك، تتحكم WSC عن بعد في GRGT في غوام.

يضم مركز علوم الفضاء مخرجًا خاصًا به من الطريق السريع الأمريكي رقم 70، مخصصًا لموظفي المركز فقط. وقد حددت وكالة ناسا موقع المحطات الأرضية وفقًا لمعايير دقيقة للغاية. كان أهمها مدى رؤية المحطة الأرضية للأقمار الصناعية؛ إذ كان لا بد من أن يكون الموقع قريبًا بما يكفي من خط الاستواء لرؤية السماء شرقًا وغربًا. وكان الطقس عاملًا مهمًا آخر، حيث تتمتع ولاية نيو مكسيكو، في المتوسط، بما يقارب 350 يومًا مشمسًا سنويًا، مع معدل هطول أمطار منخفض للغاية.

بدأ تشغيل محطة WSGT مع إطلاق مكوك الفضاء تشالنجر لصاروخ TDRS-A عام 1983. ودخلت محطة STGT حيز التشغيل عام 1994، مُكملةً بذلك النظام بعد اختبار الرحلة 6 في المدار في وقت سابق من العام نفسه. إضافةً إلى ذلك، وبعد اكتمال المحطة الثانية، أقامت ناسا مسابقةً لاختيار اسمٍ للمحطتين. اختار طلاب المدارس الإعدادية المحلية اسم "كاسيك" (Cacique) لمحطة WSGT، والذي يعني " القائد" ، و"دانزانتي" (Danzante) لمحطة STGT، والذي يعني "الراقص" . ويبدو أن هذه الأسماء كانت لأغراض دعائية فقط، إذ تستخدم وثائق ناسا الرسمية WSGT وSTGT أو WSC كرموزٍ لها.

تقع محطتا WSGT وSTGT في موقعين جغرافيين منفصلين تمامًا، وهما مستقلتان تمامًا عن بعضهما البعض، مع وجود وصلة ألياف ضوئية احتياطية لنقل البيانات بينهما في حالات الطوارئ. تحتوي كل محطة أرضية على أطباق استقبال قطرها 19 مترًا، تُعرف باسم محطات الربط بين الفضاء والأرض (SGLT)، للتواصل مع الأقمار الصناعية. توجد ثلاث محطات SGLT في محطة STGT، بينما توجد محطتان فقط في محطة WSGT. قام مهندسو النظام بنقل محطة SGLT المتبقية إلى غوام لتوفير دعم كامل للشبكة للأقمار الصناعية التي تغطي منطقة التشغيل. ونظرًا لكونها جزءًا نائيًا من محطة WSGT، فإن المسافة وموقع محطة SGLT غير مرئيين لمستخدمي الشبكة.

محطة غوام الأرضية البعيدة (GRGT) 13°36′53″ شمالاً 144°51′23″ شرقاً / 13.6148° شمالاً 144.8565° شرقاً / 13.6148؛ 144.8565 هي امتداد لمحطة WSGT. تحتوي المحطة على SGLT 6، ويقع مركز التحكم في خدمة الاتصالات (CSC) في مركز عمليات TDRS التابع لمحطة STGT. قبل تشغيل محطة GRGT، كان هناك نظام احتياطي في دييغو غارسيا .

يُعدّ الجزء الفضائي من كوكبة TDRSS الجزء الأكثر ديناميكية في النظام. فعلى الرغم من وجود تسعة أقمار صناعية في المدار، يُقدّم النظام الدعم بثلاثة أقمار صناعية أساسية، بينما تُستخدم الأقمار المتبقية كأقمار احتياطية في المدار جاهزة للاستخدام الفوري كأقمار أساسية. كان التصميم الأصلي لـ TDRSS يتضمن قمرين صناعيين أساسيين، يُشار إليهما بـ TDE للشرق و TDW للغرب ، بالإضافة إلى قمر احتياطي واحد في المدار. وقد سمح الارتفاع الكبير في متطلبات المستخدمين خلال ثمانينيات القرن الماضي لوكالة ناسا بتوسيع الشبكة بإضافة المزيد من الأقمار الصناعية، حيث تم وضع بعضها في موقع مداري مزدحم للغاية. للمزيد من التفاصيل حول الأقمار الصناعية، يُرجى الاطلاع على قسم "أقمار التتبع ونقل البيانات" .

يشمل قطاع مستخدمي نظام TDRSS العديد من أبرز برامج ناسا. فبرامج مثل تلسكوب هابل الفضائي وبرنامج LANDSAT تنقل بياناتها الرصدية إلى مراكز التحكم الخاصة بها عبر هذا النظام. ولأن رحلات الفضاء المأهولة كانت أحد الأسباب الرئيسية لإنشاء نظام TDRSS، فإن الاتصالات الصوتية لمكوك الفضاء ومحطة الفضاء الدولية تمر عبر هذا النظام.

يُستخدم نظام TDRSS لتوفير خدمات نقل البيانات للعديد من المراصد المدارية، وكذلك للمنشآت في القطب الجنوبي مثل محطة ماكموردو عبر محطة TDRSS للقطب الجنوبي. وتستخدم الأجزاء الأمريكية الصنع من محطة الفضاء الدولية (ISS) نظام TDRSS لنقل البيانات. كما يُستخدم هذا النظام لتوفير بيانات الإطلاق للصواريخ المعززة غير القابلة لإعادة الاستخدام.

في وقت مبكر من عام 1989، تم الإبلاغ عن أن إحدى الوظائف المهمة لنظام TDRSS هي توفير نقل البيانات لأقمار لاكروس للتصوير الراداري التي تشغلها هيئة الاستطلاع الوطنية . ^{[ 8 ]}

بعد مرور ما يقرب من عشرين عامًا، في 23 نوفمبر 2007، أشارت إحدى المنشورات التجارية على الإنترنت إلى أنه "بينما تستخدم ناسا أقمار (TDRSS) للاتصال بمكوك الفضاء ومحطة الفضاء الدولية، فإن معظم عرض النطاق الترددي الخاص بها مخصص للبنتاغون، الذي يغطي الجزء الأكبر من تكاليف تشغيل TDRSS ويقود العديد من متطلبات النظام، بعضها سري." ^{[ 9 ]}

في أكتوبر/تشرين الأول 2008، رفعت وكالة الاستطلاع الوطنية (NRO) السرية عن وجود محطات أرضية للمهام الفضائية في الولايات المتحدة تُسمى "مرفق بيانات الفضاء الجوي (ADF) - كولورادو"، و"مرفق بيانات الفضاء الجوي - شرق"، و"مرفق بيانات الفضاء الجوي - جنوب غرب"، بالقرب من دنفر، كولورادو ، وواشنطن العاصمة ، ولاس كروسيس، نيو مكسيكو ، على التوالي. ^{[ 10 ]} من المعروف أن "مرفق بيانات الفضاء الجوي - كولورادو" و"مرفق بيانات الفضاء الجوي - شرق" يقعان في قاعدة باكلي الجوية ، كولورادو ^{[ 11 ]} وفورت بيلفوار، فرجينيا ؛ ^{[ 12 ]} بينما يقع "مرفق بيانات الفضاء الجوي - جنوب غرب" في ميدان وايت ساندز للصواريخ ، ويُفترض أنه في محطة وايت ساندز TDRSS. ^{[ 13 ]}

تم بناء الأقمار الصناعية السبعة الأولى من نظام TDRSS بواسطة شركة TRW (التي أصبحت الآن جزءًا من شركة Northrop Grumman Aerospace Systems) في ريدوندو بيتش، كاليفورنيا ، وجميع الأقمار الصناعية منذ ذلك الحين بواسطة شركة Hughes Space and Communications, Inc. في إل سيغوندو، كاليفورنيا (التي أصبحت الآن جزءًا من شركة بوينغ ).

ذُكر نظام TDRSS بإيجاز في فيلم جيمس بوند " مون راكر" . كما تم التطرق إليه في فيلم " إيفنت هورايزون" عام 1997 .

ملاحظة: يُمنح قمر صناعي تابع لنظام TDRSS رمزًا حرفيًا أثناء عملية التصنيع، ولكن بمجرد وصوله بنجاح إلى المدار المتزامن مع الأرض، يُشار إليه برقم (على سبيل المثال، TDRS-A أثناء التطوير وقبل دخوله المدار، وTDRS-1 بعد دخوله المدار وبدء تشغيله). وبالتالي، لا تُرقّم الأقمار الصناعية التي تُفقد نتيجة أعطال الإطلاق أو التي تتعرض لأعطال جسيمة (على سبيل المثال، TDRS-B ، الذي لم يُرقّم أبدًا بسبب فقدانه في كارثة مكوك الفضاء تشالنجر ).

• نظام نقل البيانات الأوروبي
• نظام الأقمار الصناعية الهندي لنقل البيانات – أقمار الاتصالات المخطط لها 
• لوتش (قمر صناعي) – نظام نقل البيانات الروسي
• نظام بيانات الأقمار الصناعية – نظام أمريكي آخر لنقل البيانات لأقمار الاستطلاع
• تيانليان – نظام نقل البيانات الصيني

• الصفحة الرسمية لشبكة الفضاء التابعة لمركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا
• صفحة نظرة عامة على برنامج TDRSS التابع لناسا
• الصفحة الرسمية لمشروع TDRS K/L التابع لمركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

• بيكر، د. (محرر) (2001) دليل جينز للفضاء: 2001-2002. الإسكندرية، فيرجينيا: مجموعة معلومات جينز.
• عقد عمليات الفضاء الموحد (CSOC). (2000) دورة الشهادات والتدريب 880 و882: التوجيه إلى نظام TDRSS وتدفق بيانات النظام.
• كرافت، سي. (2002) الطيران: حياتي في مركز التحكم بالمهمات. نيويورك: كتب بلوم.
• كرانز، ج. (2000) الفشل ليس خيارًا. نيويورك: دار بلوم للنشر
• ناسا. (1996) ورشة عمل TDRSS الثانية: 25-26 يونيو 1996. تم استرجاعها من الإنترنت في 25 أغسطس 2003. https://web.archive.org/web/20050126202052/http://nmsp.gsfc.nasa.gov/TUBE/pdf/infopack.pdf
• جهاز تتبع GPS من Tracking Fox. https://certifiedpedia.com/tracking-fox-gps-tracker-review/

• ناسا. (2000). محطة غوام الأرضية البعيدة. تم استرجاعها من الإنترنت بتاريخ 25 أغسطس 2003. https://web.archive.org/web/20050214060604/http://nmsp.gsfc.nasa.gov/tdrss/guam.html
• سيلرز، ج. (2000) فهم الفضاء: مقدمة في علم الملاحة الفضائية. نيويورك: شركة ماكجرو هيل.
• تومسون، ت. (1996) سجل الفضاء لشركة TRW. ريدوندو بيتش، كاليفورنيا: مجموعة TRW للفضاء والإلكترونيات.
• ويرتز، ج. ولارسون، و. (1999) تحليل وتصميم مهمات الفضاء، الطبعة الثالثة. تورانس، كاليفورنيا: مطبعة ميكروكوزم.