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这两天持续刷屏的韦伯太空望远镜靠什么存储数据和通讯？

当地时间 7 月 12 日，美国国家航空航天局（NASA）在官网上公布了一张由詹姆斯·韦伯太空望远镜从距离地球 100 万英里处拍摄的全彩照片。这是人类史上首次捕捉到深空宇宙画面的高解析度图像，照片中显示了最早期的恒星和星系。

2021 年 12 月 25 日，韦伯太空望远镜从法属圭亚那的欧洲空间局库鲁基地升空，起飞 7 天后，在该望远镜距离地球约 80.86 万公里时，按照计划完成了遮光罩的展开动作。一个月后飞至离地球约 150 万公里 远的拉格朗日 L2 点工作区域，对遮阳板和镜片完全展开并且调试，随后便开始了探索宇宙起源的征程。

詹姆斯·韦伯太空望远镜项目启动于 1996 年，由美国宇航局、欧洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作开发，是来自美国 29 个州和全球 14 个国家的数千名工程师、数百名科学家、300 所大学、机构和公司共同努力的结晶。

此项目最初被称为“新一代太空望远镜”（Next Generation Space Telescope），2002 年，为了纪念在阿波罗登月计划中做出突出贡献的 NASA 第二任局长詹姆斯·韦伯，改以其名字命名。

26 年研发期间，韦伯太空望远镜“烧掉”了百亿美元，是迄今为止美国航天局建造的最大、功能最强的空间望远镜。

距离地球约 150 万公里的韦伯靠什么通讯？

那么，这个有望引领世界进入太空探索新时代的韦伯望远镜，究竟靠什么将拍摄到的图片传输到地球上？

据 NASA 称，韦伯的通信系统并不华丽。相反，数据和通信系统的设计除了可靠，还是可靠。

韦伯望远镜停在拉格朗日点 L2。这是一个引力平衡点，位于地球外约 150 万公里处，位于行星和太阳之间的直线上。对于韦伯望远镜来说，这是一个理想的位置，可以无障碍地观察宇宙，并且轨道调整最少。

然而，距离地球如此之远，意味着数据要走得更远才能将其整合为一体。这也意味着通信子系统需要可靠，因为至少在短期内，派遣维修任务来解决问题的可能性极小。韦伯望远镜的任务系统工程师 Michael Menzel 称，考虑到所涉及的成本和时间，“除非出现严重错误，否则我不赞同让韦伯望远镜执行会合和维修任务。”

参与韦伯望远镜项目 20 多年的工程师 Michael Menzel 表示，该计划一直是使用广为人知的 Ka 波段频率来传输大量科学数据。具体来说，韦伯望远镜正在以高达 28 兆比特 / 秒的速度在 25.9 GHz 信道上将数据传输回地球。Ka 波段是更宽的 K 波段的一部分（另一部分 Ku 波段，也被考虑在内）。

拉格朗日点是平衡位置，在该位置上，物体上的竞争引力牵引力为零。韦伯望远镜是目前占据 L2 的另外两艘飞船之一。图片来源：IEEE

韦伯望远镜的数据收集和传输速率与旧的哈勃太空望远镜有着是天壤之别。与仍然处于活动状态并每天生成 1 到 2 GB 数据的哈勃相比，韦伯望远镜 每天可以产生高达 57 GB 的数据（尽管该数量取决于计划的观测内容）。

稳定的数据传输能力至关重要

Menzel 强调，他第一次看到韦伯望远镜的频率选择建议是在 2000 年左右，当时他还在 Northrop Grumman 工作。他于 2004 年成为韦伯望远镜任务系统工程师。“我知道这次任务的风险在哪里。我想确保我们没有遇到任何新的风险，”他说。

图片来源：IEEE

此外，Ka 波段频率可以传输比 X 波段（7 至 11.2 GHz）或 S 波段（2 至 4 GHz）更多的数据，这是深空飞行器的常见选择。

高速数据是韦伯望远镜将要进行的科学工作的必要条件。此外，根据太空望远镜科学研究所（韦伯望远镜科学运营中心）的飞行系统工程师 Carl Hansen 的说法，类似的 X 波段天线太大了，无法保证航天器稳定成像。

虽然 25.9 GHz Ka 波段频率是望远镜的主要通信频道，但它也在 S 波段中使用了两个频道。一种是 2.09 GHz 上行链路，它将未来的传输和科学观测计划以每秒 16 千比特的速度传送到望远镜。另一个是 2.27 GHz、40 kb/s 的下行链路，望远镜通过该下行链路传输工程数据，这些工程数据包括其运行状态、系统健康状况以及有关望远镜日常活动的其他信息。

韦伯望远镜在其生命周期内收集的所有科学数据都需要存储在飞船上，因为航天器不会与地球保持全天候的联系。从其科学仪器上收集到的数据，也都会存储在航天器的 68 GB 固态驱动器中（3% 用于工程和遥测数据）。

最多能存储 68GB 数据

太空望远镜科学研究所的飞行系统工程师 Alex Hunter 表示，由于深空辐射和磨损，到韦伯望远镜 10 年任务寿命结束时，他们预计，固态驱动器的数据存储能力将从 68GB 降至 60GB 左右。

板载存储足以在空间用完之前收集大约 24 小时的数据。在出现这种问题之前，韦伯望远镜将找机会将这些宝贵的数据发送到地球。

韦伯望远镜将通过深空网络（DSN）与地球保持联系——这是它与 Parker 太阳探测器、凌日系外行星测量卫星、航海者探测器以及整个火星探测器和轨道飞行器共享的资源。

DSN 由三个天线复合体组成：澳大利亚堪培拉、西班牙马德里、加利福尼亚州巴斯托。韦伯望远镜需要与许多其他深空任务共享有限的天线时间，每个任务都有独特的通信需求和时间表。

图片来源：IEEE

DSN 系统工程师 Sandy Kwan 称，与航天器的接触窗口需要提前 12 到 20 周进行规划。这样韦伯望远镜才能在其仪器上线、检查和校准等调试阶段有更多的预定联系窗口。该过程的大部分需要与地球进行实时通信。

所有通信通道都使用 Reed-Solomon 纠错协议——与 DVD 和蓝光光盘以及 QR 码中使用的纠错标准相同。较低数据速率的 S 波段信道使用二进制相移键控调制——涉及信号载波的相移。然而，K 波段信道使用正交相移键控调制。正交相移键控可以使通道的数据速率加倍，但代价是更复杂的发射器和接收器。

韦伯望远镜与地球的通信包含一个应答协议——只有在韦伯望远镜确认文件已成功接收后，它才会继续删除其数据副本以清理空间。

通信子系统由诺斯罗普·格鲁曼公司与航天器总线的其余部分一起组装，使用来自多家制造商的现成组件。

韦伯望远镜的开发时间长且经常延迟，但其通信系统一直是项目其余部分的基石。保持至少一个系统的可靠性意味着少了一件需要担心的事情。

344 个“坑”，“坑坑”毁所有

据透露，工程师在建造像韦布望远镜这样的空间仪器时，会保留一份事项清单，其中任何一项出现问题，带来的后果可能是灾难性的，这就是所谓的“单点故障”清单。换句话说，任何一处单点故障都可能会造成整体故障。

之所以会有“单点故障”清单，是想通过开发备份系统和冗余来使“单点故障”列表尽可能短，但由于设计、技术、预算、人员等限制因素，通常意味着某些“单点故障”必须保留在这份清单当中。

例如，1980 年代美国宇航局（NASA）发送到木星的伽利略探测器有大约 30 个单点故障，一次火星登陆的单点故障有 100 多个。Menzel 在谈到韦伯任务时表示：“韦伯有 344 个单点故障，其中 80% 可以通过准备工作避免，但依旧难以完全避开。”

詹姆斯韦伯太空望远镜属于折叠的太空望远镜，在发射进入太空后，需要自行伸展，到达目标形状。

韦伯飞船系统工程师 Krystal Puga 在发布会上说，韦伯飞船有 144 个释放装置（折叠单位），“所有装置都必须完美工作”。

NASA 戈达德韦伯部署系统负责人 Alphonso Steward 在简报中也表示：“就像折纸一样，为了实现特定的形状，正确的折叠和展开是必要的。”

Menzel 解释说，团队已经在尽可能地减少了折叠数量。他说：“我们使用了大型柔性膜来达到最佳平衡点，而不会增加太多的单点故障。”

尽管任务，尤其是部署阶段存在大量单点故障，但 Menzel 强调了任务团队为确保成功所做的大量工作。“当我们发现单点故障时，我们会给予非常特殊的处理。我们有所谓的关键项目控制计划，并且我们总是会设置额外的检查点。我们已经对这些设备进行了额外的离线测试，”Menzel 说。

他补充说，NASA 和诺斯罗普·格鲁曼（Northrop Grumman）对每一个发现单点故障都进行了额外的检查和测试，以了解它可能失败的不同方式，并尽可能做好准备。“我们对单点故障项目给予了很多关注，”他说。

随时准备上场的 Plan B

尽管任务艰难而又复杂，但任务团队仍然需要迎难而上。Menzel 解释道：“团队不能建立冗余，但任务总体上也有很多应急计划或者备选方案。

“我们确实有多个应急计划，”Menzel 说道。他补充说，应急计划有的非常简单，也有的非常复杂，有些计划就像重新发送没有发送成功的命令一样简单，他说，”在韦伯望远镜大部分任务中有‘相当多的冗余’”。

韦伯团队一直在确保他们的备份计划和内置冗余功能按预期工作，以防万一。

此外，研究团队还需要确保太空望远镜的太阳能电池板可以正常展开，因为电力是詹姆斯韦伯太空望远镜最为核心的能量源，拥有电力，詹姆斯韦伯太空望远镜才能和地球沟通。

韦伯的任务何时结束？

科学家通常希望在望远镜的使用寿命期间能够尽可能多地获取有用信息。据 NASA 表示，从发射之日起，望远镜的寿命不会少于 5.5 年，韦伯团队希望将其寿命延长至 10 年以上，而望远镜的寿命取决于它在轨道上使用的燃料量，以及航天器上设备和仪器的效率。

目前，NASA 已经为韦伯空间天文台提供了足够 10 年的燃料，之后——如果一切按计划进行——望远镜将耗尽燃料，然后逐渐偏离它的路径，成为漂浮在太空中的垃圾之一。

参考链接：

https://spectrum.ieee.org/james-webb-telescope-communications

https://www.space.com/james-webb-space-telescope-deployment-points-of-failure