150万英里远的韦伯太空望远镜是怎样与地球通信的？

原创 哈尔鲍曼9000 科学剃刀

加利福尼亚州戈德斯通的 4 米天线图片来源：Kari Bosley

美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜距离地球近 100 万英里（150 万公里），围绕太阳-地球拉格朗日点 2 运行。我们如何从那么远的地方发送命令和接收遥测数据——来自天文台的科学和工程数据？我们使用DSN（深空网络）与天文台进行通信。当我们使用DSN天线与韦伯联系时，我们会收到数据

DSN内韦伯的任务接口经理Sandy Kwan指出，“如果没有DSN天线和人员的支持，每一个令人着迷的韦伯图像都是不可能实现的，他们是星际通信的支柱。

DSN在全球有三个站点，每个站点相距120度。加利福尼亚州戈德斯通有天线;澳大利亚堪培拉;和西班牙马德里。这使我们能够在地球自转时的任何时间与韦伯进行通信。DSN由位于南加州的NASA喷气推进实验室（JPL）管理。太空望远镜科学研究所（STScI）的首席韦伯任务规划师Kari Bosley向我们介绍了韦伯和DSN之间的更多沟通过程。

“我们如何计划与韦伯的联系时间？这并不像拿起电话和打电话望远镜那么简单。为了让地球与韦伯建立联系，在安排联系之前会发生一些事情。平均而言，韦伯任务运营中心在24小时内至少与天文台连接两到三次。任务运营中心（MOC）所在的STScI有任务规划人员，JPL的任务调度员，当然还有DSN综合体。STScI的任务规划人员与JPL的任务调度人员合作，与韦伯建立联系。

“我们怎么知道什么时候可以联系韦伯？美国宇航局戈达德太空飞行中心的飞行动力学设施向STScI的MOC发送从这三个不同的DSN站点可以看到天文台的观察周期。任务调度程序将这些时间与调度系统中可用的时间进行比较，其中其他任务正在与他们的航天器竞争时间。

“所有任务都需要特定的时间来与他们的航天器进行通信，时间取决于航天器在太空中的位置。有时，多个任务之间的冲突会同时请求相同的资源。当这种情况发生时，我们在JPL的任务调度员将与其他任务进行谈判，以达成满足所有任务的妥协。一旦所有谈判完成，时间表将提前六个月送交特派团规划人员。前八周的日程安排是固定的，除非航天器发生紧急情况或重要事件，否则不允许更改。后期有待继续谈判。

韦伯使用S波段和Ka波段无线电频率与深空天线网络交谈。对于S波段通信，命令指令以每秒16千比特（kbps）的速度上行，天文台工程遥测和测距以40 kbps的速度下行。对于Ka波段通信，存储的科学和工程数据和遥测以每秒28兆比特的速度下行。资料来源：STScI

“每个DSN复合体都有不同类型的天线，包括70米（直径230英尺），34米（直径111英尺）和26米（直径85英尺）的天线。

“DSN综合体使用34米天线与韦伯通信，并将70米天线作为备份。DSN 支持不同的射频分配，例如 Web 使用的 S 波段和 Ka 波段频率。S波段的带宽较低，我们用它来向航天器发送命令（例如，启动记录仪回放），接收工程遥测数据以监测天文台的健康和安全，以及进行测距。测距是通过信号向上发送和接收回地面之间的延迟来确定韦伯的位置和轨迹的过程。

“我们使用Ka波段下行链路存储的科学和工程数据，以及来自航天器的一些遥测数据。如果我们使用 S 波段下行链路数据，则需要很多天才能下载每天的数据。使用 Ka-band，花费的时间要少得多，我们通常可以在几个小时内完成下载所有存储的数据。Webb上的高增益天线用于Ka波段下行链路，中增益天线用于S波段上行链路和下行链路，当两个天线直接指向复合体进行接触时。我们的大多数联系人都是两到六个小时的时长。通常，我们要求至少四个小时的联系。由于DSN托管近40个不同的任务，因此调度很复杂。

“有时我们的联系很短，有时时间更长。在每次接触中，重要的是尽可能多地下行链接数据，因为望远镜不断进行科学观测并获取更多数据。当我们没有联系时，望远镜继续自主进行科学观测。这些数据存储在固态记录器上，并在我们的下一个联系人时下行链接。在STScI的Webb MOC收到数据并将其摄取到Barbara A. Mikulski太空望远镜档案进行处理和校准后，观察员将从他们的观测中获得数据。

“那些有兴趣看到NASA任务和DSN之间的下行链路和上行链路的人可以访问 https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html 的'Deep Space Network Now'网站。您可以查看DSN正在使用的任务和资源。

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原标题：《距离150万英里的韦伯太空望远镜是怎样与地球进行通信的？》

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