大數據文摘作品

作者：Mickey

2011年7月11日凌晨，喬·拜登總統、副總統卡瑪拉·哈里斯和美國國家航空航天局局長比爾·納爾遜公布了耗資100億美元的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的首秀！

這是詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)發布了第一批圖像。本張圖片也是韋伯望遠鏡發布的首張全彩圖像和光譜數據。

根據美國國家航空航天局的說法，這是迄今為止最深的宇宙紅外圖像！NASA表示，這張照片只用了望遠鏡四個儀器中的一個12.5小時的觀察時間就創造出來了。

NASA表示，韋伯銳利的近紅外視圖顯示了極其遙遠星系中的微弱結構，提供了迄今為止最詳細的早期宇宙視圖。

“今天代表著探索我們宇宙的一個激動人心的新篇章，”哈里斯說。“從有史以來，人類就帶著奇跡仰望夜空，多虧了幾十年來一直致力于工程和科學奇跡的人們，我們才能以新的理解仰望天空?！?/p>

這張圖像顯示的是SMACS 0723，展示了位于南天的飛魚座（Volans），是一個還未被廣泛研究的地帶。從照片上可以看到它周圍的眾多星系和很多弧線，這些弧線，被稱為“愛因斯坦環”，是極大質量的前景星系團放大和扭曲了背后星體的光造成的。這張照片通過多種不同波長圖像的疊加，展示了130多億年前的宇宙景象。照片上展示的這片星系，從地球上看，大約只是手指尖上的一粒沙這么大，卻包含了如此多的廣袤深邃的內容。

這張圖還只是本套圖片中的一部分，美國國家航空航天局及其合作伙伴將于 7 月 12 日星期二在美國國家航空航天局電視直播期間發布韋伯的第一批全彩色圖像和數據（稱為光譜）的全系列，也歡迎大家關注。

作為有史以來最大最復雜的天文臺發射進入太空，韋伯太空望遠鏡已經經歷了六個月的準備期，終于開始進行科學工作了。這是一個非常龐大且細致的機器，也經過了多年的任務規劃，才終于建立了第一批圖像和數據：以圖像的方式向整個人類展示來自太空的故事。

“韋伯的第一張全彩色圖像的發布為我們所有人提供一個獨特的時刻，讓我們停下來驚嘆于人類從未見過的景象，”華盛頓 NASA 總部韋伯項目科學家 Eric Smith 說?！斑@些圖像將是數十年奉獻、才華和夢想的結晶——但它們也只是一個開始。”

韋伯太空望遠鏡是歐洲空間局，加拿大航天局和美國國家航空航天局的共同合作開展的航空計劃，也是哈勃空間望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡的后繼計劃。它旨在提供比哈勃空間望遠鏡更高的紅外分辨率和靈敏度，觀察物體的亮度比哈勃望遠鏡探測到的最微弱物體的亮度要低100倍，這將使天文學和宇宙學領域的廣泛研究成為可能，例如對宇宙中一些最古老和最遙遠的物體和事件（包括第一顆恒星和形成的第一個星系）進行高達 z≈20的紅移觀測，以及潛在適居住太陽系外行星的詳細大氣特征。經過幾個月的工作，這張全彩圖像也是JWST向全人類交出的第一份作業。

盡管這張圖像只是韋伯望遠鏡或者更深入宇宙探索的開始。但你肯定也會像文摘菌一樣很關心，距離地球約150 萬公里處的數據，到底是如何被存儲并且準確傳輸到地球的呢？

150萬公里外的每天57 GB 的數據如何存儲并回傳？

事實上，韋伯的通訊技術并不華麗。在遙遠外太空作為信息獲取信號，相比技術的先進性，數據和通信系統最需要的核心性能更是——可靠。但不可否認，JWST依然進行了很多技術上的突破。例如，這是第一個使用K a波段頻率來實現距離地球如此之高的數據速率的任務。同時，JWST 的通信為 JWST 的科學努力奠定了基礎。

JWST 停在拉格朗日點 L2。這是一個引力平衡點，位于地球外約 150 萬公里處，位于行星和太陽之間的直線上。對于 JWST 來說，這是一個理想的位置，可以無障礙地觀察宇宙，并且軌道調整最少。

然而，距離地球如此之遠，意味著數據要走得更遠才能將其整合為一體。這也意味著通信子系統需要可靠，因為至少在短期內，一旦出現問題，派遣維修人員來修理的可能性極小。JWST 的任務系統工程師Michael Menzel說，考慮到所涉及的成本和時間，“除非出現嚴重錯誤，否則我不會進行會合和維修任務?！?/p>

據以某種身份從事 JWST 工作 20 多年的 Menzel 表示，該計劃一直是使用廣為人知的 K a波段頻率來傳輸大量科學數據。具體來說，JWST 正在以高達 28 兆比特/秒的速度在 25.9 吉赫茲信道上將數據傳輸回地球。K a波段是更寬的K 波段的一部分（另一部分，Ku 波段，也被考慮在內）。

拉格朗日點是平衡位置，在該位置上，物體上的競爭引力牽引力為零。JWST 是目前占據 L2的另外兩艘飛船之一。

JWST 的數據收集和傳輸速率都比舊的哈勃太空望遠鏡要高得多。與仍然處于活動狀態并每天生成 1 到 2 GB 數據的哈勃相比，JWST 每天可以產生高達 57 GB 的數據（盡管該數量取決于計劃的觀測內容）。

力求穩定的數據傳輸計劃

Menzel 說，他第一次看到 JWST 的頻率篩選提案是在 2000 年左右，當時他還在Northrop Grumman工作。“我知道這次任務的風險在哪里。我想確保我們不會遇到任何新的風險，”他說。

此外，K a波段頻率可以傳輸比X 波段（7 至 11.2 GHz）或S 波段（2 至 4 GHz）更多的數據，這是深空飛行器的常見選擇。高數據速率是 JWST 將要進行的科學工作的必要條件。此外，根據太空望遠鏡科學研究所（JWST 科學運營中心）的飛行系統工程師Carl Hansen的說法，類似的 X 波段天線將非常大，以至于航天器難以保持穩定進行成像。

雖然 25.9-GHz K a波段頻率是望遠鏡的主要通信頻道，但它也在 S 波段中使用了兩個頻道。一種是 2.09-GHz 上行鏈路，它將未來的傳輸和科學觀測計劃以每秒 16 千比特的速度傳送到望遠鏡。另一個是 2.27 GHz、40 kb/s 的下行鏈路，望遠鏡通過該下行鏈路傳輸工程數據——包括其運行狀態、系統健康狀況以及有關望遠鏡日?；顒拥钠渌畔ⅰ?/p>

數據存儲

JWST 在其生命周期內收集的任何科學數據都需要存儲在飛船上，因為航天器不會與地球保持全天候的聯系。從其科學儀器收集的數據一旦收集，就會存儲在航天器的 68 GB 固態驅動器中（3% 用于工程和遙測數據）。太空望遠鏡科學研究所的飛行系統工程師Alex Hunter表示，由于深空輻射和磨損，到 JWST 的 10 年任務壽命結束時，存儲量預計將降至 60 GB 左右。

板載存儲足以在空間用完之前收集大約 24 小時的數據。在這之前，JWST 將安排機會將這些寶貴的數據發送到地球。

JWST 將通過深空網絡(DSN)與地球保持聯系——這是它與帕克太陽探測器、凌日系外行星測量衛星、航海者探測器以及整個火星探測器和軌道飛行器共享的資源。DSN 由三個天線復合體組成：澳大利亞堪培拉；西班牙馬德里; JWST 需要與許多其他深空任務共享有限的天線時間，每個任務都有獨特的通信需求和時間表。

DSN 系統工程師Sandy Kwan說，與航天器的接觸窗口計劃提前 12 到 20 周。隨著儀器上線、檢查和校準，JWST 在其調試階段有更多的預定聯系窗口。該過程的大部分需要與地球進行實時通信。

通信通道

所有通信通道都使用Reed-Solomon糾錯協議——與 DVD 和藍光光盤以及 QR 碼中使用的糾錯標準相同。較低數據速率的 S 波段信道使用二進制相移鍵控調制——涉及信號載波的相移。然而，K 波段信道使用正交相移鍵控調制。正交相移鍵控可以使通道的數據速率加倍，但需要是更復雜的發射器和接收器。

JWST 與地球的通信包含一個確認協議——只有在 JWST 確認文件已成功接收后，它才會刪除其數據副本以清理空間。

JWST的通信子系統由諾斯羅普·格魯曼公司與航天器總線的其余部分一起組裝，使用了來自多家制造商的現成組件。

素材來源：

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

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/first-images-from-nasa-s-webb-space-telescope-coming-soon

原標題：《NASA發布史上最深的宇宙全彩照！韋伯如何回傳150萬公里外的太空數據？》

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