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走近美国深空探测网
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Francis Reddy 文 Shea 编译 |
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如果你认为和一个正在太阳系中遨游的探测器通话是一项挑战的话，那么你可以想象一下和30个探测器保持联系会是什么样的情景。美国宇航局的这些远征军究竟是如何往家里“打电话”的呢…… 50年来美国宇航局（NASA）深空探测网（DSN）所接收过数据的探测器名单读起来就像是人类太阳系无人探测的名人录，“先驱者”号、“水手”号、“旅行者”号、“伽利略”、“卡西尼”-“惠更斯”、“深度撞击”、“勇气”号、“机遇”号等一一在列。然而，在这些探测任务所发回的惊人照片和科学结果不断激发我们想象的同时，我们似乎却忽略了这些数据是怎样从太阳系的边缘跃然到NASA网站之上的。 与它的价值相比，DSN并没有得到应有的关注。“它是在深空中运转的探测器和地面之间的生命线，”NASA喷气推进实验室（JPL）DSN深空任务系统项目主管迈克尔·罗德里格斯（Michael Rodrigues）说，“没有它，就没有空间探测。” DSN是同类型中唯一可以为几十个深空探测任务同时提供服务的系统，而深空探测的官方定义为到地球距离超过190万千米的探测任务。目前DSN正支持着大约30个探测器，这其中既包括了地球轨道上的一些探测器，也包括了对近地小行星、月球、水星和金星所进行的雷达探测。事实上，DSN位于美国加利福尼亚州戈德斯通的50万瓦雷达是全世界X波段（7-12千兆赫）雷达中最强大的。  1991年，戈德斯通雷达实验发现，水星极地环形山的阴影中似乎存在着本不应存在的冰。这一雷达也可以用来跟踪近地轨道上的太空垃圾，而有时它甚至还会充当射电望远镜的角色。“事实上DSN并不仅仅是一个通讯工具，”罗德里格斯提醒说。 DSN的天线在经度上以120°为间隔遍布全球，包括美国加州戈德斯通、西班牙马德里以及澳大利亚的堪培拉。当地球自转使得一处的天线无法再和探测器通讯的时候，另一处的天线就会转到朝向它的位置。罗德里格斯说：“我们可以连续监测位于地球同步轨道以外的任何一个物体。” 当DSN和探测器之间进行通讯的时候，取决于探测器的距离DSN可以在几厘米到几米的精度范围内确定它的位置。因此即便DSN无法用来为探测器导航，但它所能提供的信息对于引导任务来说也是至关重要的。 DSN偶尔也会扮演探测任务“救星”的角色。当伽利略木星探测器上的高增益天线无法完全打开的时候，DSN重新配置了地面上的设备以此来使用“伽利略”上的低增益天线。这使得“伽利略”探测任务中80%的科学目标得以实现。 此外，在发射之后的检测中发现欧洲空间局（ESA）的惠更斯探测器和NASA的卡西尼探测器之间存在通讯问题，而前者要依赖后者来向地球发送数据。“为此我们重新调配了探测网中的天线来捕捉‘惠更斯’的信号，获得了更多的信息，”罗德里格斯解释说。 管理问题 2006年6月，DSN的管理者发现他们自己一反常态地成为了关注的焦点。检修DSN核心设备之一的、马德里70米天线的工程师发现，在支持1,900吨天线的承座上存在裂缝。 更换承座意味着维护时间的翻倍，这将使得它在2007年1月之前都无法投入使用。“当时很多探测任务都计划要使用这一天线，”罗德里格斯回忆说，“但突然间被告知不能用了，他们不得不重新做出安排，着实造成了不小的恐慌。”  [图片说明]：深空探测网位于西班牙马德里的70米天线。版权：NASA。 这一事件也使得人们开始更多的关注正在被老化的硬件、延长的探测任务以及不断增加的新探测器压得喘不过气的DSN。就在工程师发现马德里的天线存在问题之前几个月，做为美国国会调查机构的政府问责办公室公布了一份报告，报告要求对DSN满足日益增长需求的能力予以关注。 报告中写道，DSN正在老化，而且可能会出现越来越多的问题，最后也许会在需求不断上升的情况下崩溃。由此造成的科学数据丢失的风险是难以承受的。 马德里天线更换承座危及到了当时刚到达火星并且正处于精细轨道调整阶段的环火星巡逻者。与此同时，卡西尼探测器也正在发回土星及其卫星的大量探测数据。由于火星和土星在天空中的距离不到30°，因此这两个探测项目的管理者都希望在同一时间使用DSN中的同一个天线。 做为补救，DSN“部署”了多个34米的天线，通过综合它们所获得的信号来达到原先大型天线所能达到的高传输率。一些探测任务不得不为此降低它们的信号传输率以此来适应34米的天线。而对于“卡西尼”的科学团队来说，他们不得不为此来决定哪些观测数据要优先发回地球，而哪些数据将就此永远消失在太空中。 天线阵 不过现在天线阵已经不再是一种应急的措施了，它使得任务的管理者可以更好地与探测器之间建立联系。这样一来，对于相同的信号强度就可以拥有更大的通讯带宽，也意味着更高的数据传输率。它相当于综合了许多小天线，使它们像一个大天线一样工作。按照罗德里格斯的说法，预计于2011年发射的“朱诺”木星探测器就可能会使用天线阵。目前正前往冥王星的“新视野”探测器可能也会使用它。 而斯皮策空间望远镜则是使用天线阵的常客。“虽然‘斯皮策’距离我们并不是很远，但是它正在不断远离地球，而且它上面的发射器功率也不是很大，”罗德里格斯解释说。事实上，“斯皮策”的运转方式为我们提供了一个一窥探测任务管理者、探测器以及DSN之间如何相互作用的绝佳机会。 2003年8月25日“斯皮策”被发射到了一条尾随地球的独特轨道上。“斯皮策”任务主管查尔斯·斯科特（Charles Scott）说：“在相同的轨道上‘斯皮策’会尾随着地球一起绕太阳转动，而与此同时它也在慢慢远离地球。”它离开地球的速度大约为每年1800万千米。  [图片说明]：深空探测网位于澳大利亚堪培拉的70米和34米天线。版权：NASA。 之所以选择这样的轨道是为了使得“斯皮策”的太阳能电池板可以一直对着太阳，这样一来也可以保护望远镜免受阳光的直接照射。而在与之相反的另一侧，“斯皮策”则是完全暴露在太空中的，没有任何保护。由于要进行红外观测，它上面的望远镜也被冷却到了-248℃。 “斯皮策”发射时携带了360升液态氦制冷剂。“斯皮策”项目科学家迈克尔·沃纳（Michael Werner）说：“我们已经打破了所有使用制冷剂探测器的最长寿命纪录。”其中的秘诀就是“斯皮策”的轨道。即使不使用制冷剂，“斯皮策”自身的温度就可以使得它上面搭载的仪器在两个红外波段上进行不间断的观测。 但是由于它处于尾随地球的轨道上，因此它也有一个显著的缺点。“我们很难在想要的数据传输率下和探测器之间建立通讯，”斯科特说，“当‘斯皮策’越飞越远的时候，数据的传送速率就会不断降低。” 由于“斯皮策”上的液氦制冷剂会缓慢地蒸发，因此科学家们想尽量使得“斯皮策”处于最高效的工作状态，这样就可以在2009年4月底制冷剂耗尽之前完成绝大部分的观测。 “我们必须尽可能的高效，”斯科特说，而“斯皮策”在红外波段的表现也相当不错。从总体来看，到目前为止观测、指向目标以及校准仪器所花的时间占了总时间的90.64%。 “而高效的一部分则来自于数据的高速下行传输，”斯科特解释说，“我们通常采用的下行传输速率为每秒2.2兆。当然随着‘斯皮策’在不断远离地球，我们不得不采用更大口径的天线才能做到这一点。” 在发射的时候，单个34米的天线就能接收“斯皮策”的数据，但是现在则必须要用70米的天线。在DSN中只有3个这么大的天线，而当马德里的天线出现问题的时候，就无法保证它们随时都可以使用了。因此斯科特开始使用天线阵，综合多个小天线所获得的信号来达到一个大天线的效果。“开始的时候我们采用2个34米的天线，现在我们则要用4个，”他说。为了在2009年10月依然能维持目前的“斯皮策”数据传输率，DSN就需要1个70米的天线和1个30米的天线组成的天线阵。  [图片说明]：日落时分的戈德斯通70米天线。版权：NASA。 与“斯皮策”的舞蹈 安排“斯皮策”和DSN的通讯是一件非常复杂的事情，通常由任务主管来负责。在这个过程中，地面会向探测器以及星上仪器发送一系列指令，然后探测器会向地面发送信号并且开始下载数据。 许多类似“卡西尼”这样的探测任务在与地球可进行通讯的情况下，要求DSN一刻不离地紧盯着探测器，而这通常要持续许多个小时。但是对于“斯皮策”来说大约每天只需要两次90分钟的通讯即可。在每次和地面的通讯过程中，“斯皮策”会把它的高增益X波段天线对准地球，然后等待地面的指令，之后就会在接下去的20-60分钟里向地面传输观测数据。“斯皮策”上2千兆的内存可以储存3次传输的数据量。 当“斯皮策”向地面发送数据的时候，地面也会向它发出新的指令。为此“斯皮策”的控制人员会花上5周的时间来编写和测试这些指令。“我们总是试图‘喂饱’它，”斯科特说。 这些指令包括了下一次观测的安排、仪器的校准以及通讯的时间，并且还会告诉它删除先前已经发回地面的数据以及发送那么没有接收到的数据。  [图片说明]：“斯皮策”会把高增益天线对准地球用于发送数据和接收指令。版权：NASA。 斯科特说，我们没有很多时间来一下子把所有的事情都做了。而且一旦“斯皮策”完成了下行的数据传输，它就会继续观测而不理会控制小组的上行指令是否到位，除非控制小组直接对其进行干预。“这就像跳舞，”他说，“你必须随着你的舞伴一起移动，并且随时准备接住你的舞伴。你不得不在这些通讯的过程中全神贯注，这也正是‘斯皮策’难以操纵管理的原因。” 然而，斯科特认为这样的高交互式通讯会越来越普遍。“这使得我们可以灵活性地完成不同的观测，”他说，“我们是第一批采用这一通讯方式的探测任务之一，并且我认为这在未来5-10年里会变得越来越普遍。” DSN也在促进着自身的变化。根据JPL的马克·约翰斯顿（Mark Johnston）的估计，到2030年DSN所要支持的探测任务数量会达到现在3倍，而数据量则会超过现在的100倍以上。做出这一预期的原因之一是很多计划中的探测任务都将采用由多颗探测器组成的“星座”集群。 为了跟上发展的步伐，DSN也在研究更大型的阵列。与采用一系列相对较大型的天线不同，新的深空探测网将采用400面12米的中型天线。研究显示三个这样沿经度以120°为间隔分布的阵列可以把目前的空间通讯能力提高10倍。 无论DSN的未来会是什么样子，它无疑是我们唯一真正的行星际桥梁。与它保持着联系的“旅行者”号已经飞到了太阳系的边缘。“我一直着迷于这一空间探测中不可或缺的通讯工具，”迈克尔·罗德里格斯说，“每当和人们谈起它的时候都会提醒我它是多么的独一无二。”
（本文已刊载于《太空探索》2011年第1期） |
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出自：Astronomy
发布日期：2008-05 |
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2001-2009 火流星工作组制作
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