大數(shù)據(jù)文摘作品

作者：Mickey

2011年7月11日凌晨，喬·拜登總統(tǒng)、副總統(tǒng)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(yuǎn)鏡的首秀！

這是詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(JWST)發(fā)布了第一批圖像。本張圖片也是韋伯望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的首張全彩圖像和光譜數(shù)據(jù)。

根據(jù)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(yuǎn)鏡四個儀器中的一個12.5小時的觀察時間就創(chuàng)造出來了。

NASA表示，韋伯銳利的近紅外視圖顯示了極其遙遠(yuǎn)星系中的微弱結(jié)構(gòu)，提供了迄今為止最詳細(xì)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(xué)奇跡的人們，我們才能以新的理解仰望天空。”

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(huán)”，是極大質(zhì)量的前景星系團(tuán)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(nèi)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(fā)布韋伯的第一批全彩色圖像和數(shù)據(jù)（稱為光譜）的全系列，也歡迎大家關(guān)注。

作為有史以來最大最復(fù)雜的天文臺發(fā)射進(jìn)入太空，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)經(jīng)歷了六個月的準(zhǔn)備期，終于開始進(jìn)行科學(xué)工作了。這是一個非常龐大且細(xì)致的機(jī)器，也經(jīng)過了多年的任務(wù)規(guī)劃，才終于建立了第一批圖像和數(shù)據(jù)：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(fā)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(xué)家 Eric Smith 說。“這些圖像將是數(shù)十年奉獻(xiàn)、才華和夢想的結(jié)晶——但它們也只是一個開始。”

韋伯太空望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡和斯皮策空間望遠(yuǎn)鏡的后繼計劃。它旨在提供比哈勃空間望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡探測到的最微弱物體的亮度要低100倍，這將使天文學(xué)和宇宙學(xué)領(lǐng)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(yuǎn)的物體和事件（包括第一顆恒星和形成的第一個星系）進(jìn)行高達(dá) z≈20的紅移觀測，以及潛在適居住太陽系外行星的詳細(xì)大氣特征。經(jīng)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(yè)。

盡管這張圖像只是韋伯望遠(yuǎn)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(guān)心，距離地球約150 萬公里處的數(shù)據(jù)，到底是如何被存儲并且準(zhǔn)確傳輸?shù)降厍虻哪兀?/p>

150萬公里外的每天57 GB 的數(shù)據(jù)如何存儲并回傳？

事實上，韋伯的通訊技術(shù)并不華麗。在遙遠(yuǎn)外太空作為信息獲取信號，相比技術(shù)的先進(jìn)性，數(shù)據(jù)和通信系統(tǒng)最需要的核心性能更是——可靠。但不可否認(rèn)，JWST依然進(jìn)行了很多技術(shù)上的突破。例如，這是第一個使用K a波段頻率來實現(xiàn)距離地球如此之高的數(shù)據(jù)速率的任務(wù)。同時，JWST 的通信為 JWST 的科學(xué)努力奠定了基礎(chǔ)。

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(diào)整最少。

然而，距離地球如此之遠(yuǎn)，意味著數(shù)據(jù)要走得更遠(yuǎn)才能將其整合為一體。這也意味著通信子系統(tǒng)需要可靠，因為至少在短期內(nèi)，一旦出現(xiàn)問題，派遣維修人員來修理的可能性極小。JWST 的任務(wù)系統(tǒng)工程師Michael Menzel說，考慮到所涉及的成本和時間，“除非出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤，否則我不會進(jìn)行會合和維修任務(wù)。”

據(jù)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(xué)數(shù)據(jù)。具體來說，JWST 正在以高達(dá) 28 兆比特/秒的速度在 25.9 吉赫茲信道上將數(shù)據(jù)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(nèi)）。

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(jù) L2的另外兩艘飛船之一。

JWST 的數(shù)據(jù)收集和傳輸速率都比舊的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡要高得多。與仍然處于活動狀態(tài)并每天生成 1 到 2 GB 數(shù)據(jù)的哈勃相比，JWST 每天可以產(chǎn)生高達(dá) 57 GB 的數(shù)據(jù)（盡管該數(shù)量取決于計劃的觀測內(nèi)容）。

力求穩(wěn)定的數(shù)據(jù)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(dāng)時他還在Northrop Grumman工作。“我知道這次任務(wù)的風(fēng)險在哪里。我想確保我們不會遇到任何新的風(fēng)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(shù)據(jù)，這是深空飛行器的常見選擇。高數(shù)據(jù)速率是 JWST 將要進(jìn)行的科學(xué)工作的必要條件。此外，根據(jù)太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所（JWST 科學(xué)運營中心）的飛行系統(tǒng)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(wěn)定進(jìn)行成像。

雖然 25.9-GHz K a波段頻率是望遠(yuǎn)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(xué)觀測計劃以每秒 16 千比特的速度傳送到望遠(yuǎn)鏡。另一個是 2.27 GHz、40 kb/s 的下行鏈路，望遠(yuǎn)鏡通過該下行鏈路傳輸工程數(shù)據(jù)——包括其運行狀態(tài)、系統(tǒng)健康狀況以及有關(guān)望遠(yuǎn)鏡日常活動的其他信息。

數(shù)據(jù)存儲

JWST 在其生命周期內(nèi)收集的任何科學(xué)數(shù)據(jù)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(lián)系。從其科學(xué)儀器收集的數(shù)據(jù)一旦收集，就會存儲在航天器的 68 GB 固態(tài)驅(qū)動器中（3% 用于工程和遙測數(shù)據(jù)）。太空望遠(yuǎn)鏡科學(xué)研究所的飛行系統(tǒng)工程師Alex Hunter表示，由于深空輻射和磨損，到 JWST 的 10 年任務(wù)壽命結(jié)束時，存儲量預(yù)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(shù)據(jù)。在這之前，JWST 將安排機(jī)會將這些寶貴的數(shù)據(jù)發(fā)送到地球。

JWST 將通過深空網(wǎng)絡(luò)(DSN)與地球保持聯(lián)系——這是它與帕克太陽探測器、凌日系外行星測量衛(wèi)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(fù)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(wù)共享有限的天線時間，每個任務(wù)都有獨特的通信需求和時間表。

DSN 系統(tǒng)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(zhǔn)，JWST 在其調(diào)試階段有更多的預(yù)定聯(lián)系窗口。該過程的大部分需要與地球進(jìn)行實時通信。

通信通道

所有通信通道都使用Reed-Solomon糾錯協(xié)議——與 DVD 和藍(lán)光光盤以及 QR 碼中使用的糾錯標(biāo)準(zhǔn)相同。較低數(shù)據(jù)速率的 S 波段信道使用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)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(diào)制。正交相移鍵控可以使通道的數(shù)據(jù)速率加倍，但需要是更復(fù)雜的發(fā)射器和接收器。

JWST 與地球的通信包含一個確認(rèn)協(xié)議——只有在 JWST 確認(rèn)文件已成功接收后，它才會刪除其數(shù)據(jù)副本以清理空間。

JWST的通信子系統(tǒng)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(xiàn)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(biāo)題：《NASA發(fā)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(shù)據(jù)？》

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