作者: 郝鑠綜合報道 來源: 發布時間:2016-11-16 18:59:10
一次深空網絡意外引發的擔憂

 
如果說土星是宇宙中最閃耀的“明星”之一,那么美國宇航局(NASA)的“卡西尼”(Cassini)號飛船則是最專業的明星攝影師。
 
近距離俯沖、雷達探測繪制地形圖、捕捉土星極光照片……自十幾年前起,“卡西尼”號就開始日夜兼程地拍攝“土星寫真集”,以驚人的清晰程度向世人展示了土星、土星軌道衛星及土星環的概貌。
 
然而,今年初的一次意外,讓行星科學的心跳,跟著漏了一拍。
 
一次意外
 
穿越光環,扎個猛子,沖入土星大氣層。
 
原本,這一系列完美的動作將會把“卡西尼”號13年的土星探索之旅推向高潮。今年1月,“卡西尼”號飛船在即將完成太空之旅前夕,迎來了一項新的任務。它改變軌道,脫離了土星赤道面的環繞軌道,逐漸攀升至極地軌道。
 
“卡西尼”號的推進器會燃燒不到1分鐘,以期將其推入新的軌道,但是由于燃料短缺,每一秒鐘都至關重要。
 
一切準備就緒。然而,就在地面指揮站準備向“卡西尼”號上傳指令時,卻發現連接飛船與地面的無線電訊號突然失控,這讓科學家和技術人員陷入一團混亂。等到他們手忙腳亂地修復妥當,“卡西尼”號已經錯失了它的目標。
 
星際迷航般的故事講到這里,大家可能都會以為,難道是遙不可及的飛船端出現了問題?
 
那你就冤枉勞苦功高的“卡西尼”號了。一天后,技術人員成功將飛船移向極地軌道。同時,他們發現,“卡西尼”號并沒有任何過錯,這次的問題出在地球上。
 
在美國加州、西班牙和澳大利亞之間,設有NASA的大型無線電天線綜合設施——深空網絡(DSN)。近來,DSN頻頻出現小故障,此次“卡西尼”號的意外就是其中之一。
 
半個多世紀以來,DSN一直扮演著“上傳下達”的重要角色——上傳地面指揮中心的指令、獲取遙遠探測設備的數據?梢哉f,它是存在于地球軌道之外的幾乎每艘航天器賴以生存的通信窗口。
 
可以說,DSN為人類探索宇宙的事業默默服務了太多年,人們已經將它的存在當作理所當然。然而,即便是最強大的設施也會面臨設備老化、檢修更新等問題。
 
最近頻頻失手的傳聞與報道讓很多人擔憂,是否預算的縮減和設備老化已經開始產生負面影響,又會否危及到明年“卡西尼”號和“朱諾”(Juno)號復雜的操作任務。
 
NASA科學顧問委員會主席Brad Peterson也表示,該委員會可能會開始著手處理這一問題。他說,隨著美國宇航局所啟動的任務難度愈發復雜,而且對數據的要求越來越高,“對DSN的需求只會逐漸增長。”
 
DSN的運營單位是位于美國加州帕薩迪納市的噴氣推進實驗室(JPL),絕大部分時間,它一直非?煽。目前,有35項任務的實施需要依靠DSN。
 
DSN在全球設置了三個站點,相互相隔120度,環繞全球。三個站點均有上世紀六七十年代設置的70米天線和一些較新的34米天線,將它們排列在一起,就可以趕得上大型天線的下行鏈路性能。該網絡可以與太陽系內任何的飛船保持不間斷的聯系,甚至可以超越太陽系外(例如在“旅行者1號”的案例中,2013年它正式進入星際空間)。
 
誰之過?
 
那么,是不是上世紀六七十年代所設置的70米天線老化了呢?
 
恰恰相反,NASA表示,去年12月和今年1月出現的小故障主要是由于該網絡位于澳大利亞堪培拉的最新的34米天線,DSS-35。
 
這個自2014年開始運行的天線遭遇了不少問題,這里的降水和灰塵破壞了一個幫助瞄準的設備,其它幾個瞄準組件也遭遇了過熱的問題,而且,污染物滲入了一個用于冷卻放大器的低溫制冷器。
 
對此,NASA表示,這些問題已大多解決,而且當下一個34米天線DSS-36于10月1日架設好后,堪培拉站點的可靠性將會得到提高。
 
與此同時,人員問題也造成了硬件設備的失靈。今年1月,本來希望能夠測量地球磁場和太陽風之間邊界的“磁層多尺度任務”,像“卡西尼”號一樣,難以連接DSS-35。
 
通訊任務本來可以轉至另一個堪培拉的天線。但是1月22日,一場暴風雪讓位于馬里蘭州的戈達德太空飛行中心被迫關停,那里沒有人對飛船進行重新配置,因此,耽誤了一天的數據回收。
 
NASA空間通訊和導航項目副經理Pete Vrotsos負責監管整個網絡,他表示1月份,該網絡仍舊傳輸了95%的上行和輸入信號,達到了它的最低目標。自那以后,他表示,該網絡已經幾乎回到了此前的99%的功效。
 
然而,仍有不少科學家在擔憂該網絡的未來。因為在預算縮減計劃中,DSN往往是首當其沖的受害者。
 
2009年,網絡負責人開始尋找經費(2.27億美元)進行設備升級,但是2013年計劃實施時,NASA卻要求DSN在7年內縮減經費1億美元。2015年底,DSN被要求進一步勒緊“褲腰帶”。
 
目前,西班牙馬德里和加州的新天線和發射器已遭到延誤,也可能導致馬德里兩個天線基座的混凝土開裂和老化問題更加復雜。去年,NASA總監察辦的報告指出,這些延期可能會危及網絡的可靠性,特別是較老的任務如旅行者1、2號,只有網絡中部分較老的天線才能支持它們的無線電頻段。
 
未來的解決方案可能存在于國際舞臺。2013年,歐洲空間局(ESA)在西班牙、澳大利亞、阿根廷完成了自己的120度網絡(35米天線),可以與歐空局任務如羅塞塔、蓋亞等進行溝通,同時也支持NASA的網絡。印度和日本也有各自的天線執行任務。
 
同時,JPL計劃在各站點減員,遠程控制天線以節省經費,并計劃推行更能容忍故障的互聯網計劃來傳輸數據包。
 
此外,NASA也在測試激光系統以期取代無線電傳輸。光學信號的波長比無線電波要短1萬倍,可以大大提高數據傳輸速度,而且不受地面不協調的無線電頻段的干擾。傳送器也可因此更加輕巧節能。不過云霧可以輕易地阻礙信號,這就意味著它可能需要近地軌道中繼衛星來實現 “星際互聯網”!
 
《科學新聞》 (科學新聞2016年9月刊 視野)
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