Wenn der James-Webb-Weltraumteleskop (JWST) zeigt seine ersten Bilder am 12. Juli werden sie das Nebenprodukt sorgfältig gefertigter Spiegel und wissenschaftlicher Instrumente sein. Aber all seine Datenerfassungsfähigkeiten wären ohne das Kommunikationssubsystem des Raumfahrzeugs strittig.
Die Kommunikation des Webb ist nicht auffällig. Vielmehr sind die Daten- und Kommunikationssysteme darauf ausgelegt, unglaublich zuverlässig und zuverlässig zu sein. Und obwohl einige Aspekte davon relativ neu sind, ist es die erste Mission, die verwendet wird Ka-Band Frequenzen für so hohe Datenraten, die so weit von der Erde entfernt sind – vor allem die Kommunikation von JWST bildet die Grundlage, auf der die wissenschaftlichen Bemühungen von JWST aufbauen.
Wie in früheren Artikeln dieser Serie festgestellt wurde, ist JWST bei geparkt Lagrange-Punkt L2. Es ist ein Gravitationsgleichgewichtspunkt, der sich etwa 1,5 Millionen Kilometer hinter der Erde auf einer geraden Linie zwischen dem Planeten und der Sonne befindet. Es ist ein idealer Ort für JWST, um das Universum ohne Hindernisse und mit minimalen Orbitalanpassungen zu beobachten.
So weit von der Erde entfernt zu sein bedeutet jedoch, dass die Daten einen weiteren Weg zurücklegen müssen, um in einem Stück zurück zu kommen. Es bedeutet auch, dass das Kommunikationssubsystem zuverlässig sein muss, da die Aussicht auf eine Reparaturmission zur Behebung eines Troubles zumindest kurzfristig höchst unwahrscheinlich ist. Angesichts der damit verbundenen Kosten und Zeit, sagt Michael Menzelder Missionssystemingenieur für JWST, „Ich würde keine Rendezvous- und Wartungsmission empfehlen, es sei denn, etwas wäre völlig schief gelaufen.“
Laut Menzel, der seit über 20 Jahren in irgendeiner Funktion an JWST arbeitet, war es immer geplant, das intestine verstandene Ka-Band-Frequenzen für die umfangreiche Übertragung wissenschaftlicher Daten. Insbesondere überträgt JWST Daten auf einem 25,9-Gigahertz-Kanal mit bis zu 28 Megabit pro Sekunde zurück zur Erde. Das Ka-Band ist ein Teil des breiteren K-Band (ein anderer Teil, die Ku-Bandwurde auch berücksichtigt).
Die Lagrange-Punkte sind Gleichgewichtsorte, an denen konkurrierende Gravitationszerrungen an einem Objekt auf Null gehen. JWST ist einer von ihnen zwei andere Handwerk derzeit L2 besetzen. IEEE-Spektrum
Sowohl die Datenerfassungs- als auch die Übertragungsraten von JWST stellen die der älteren in den Schatten Hubble-Weltraumteleskop. Im Vergleich zu Hubble, das immer noch aktiv ist und täglich 1 bis 2 Gigabyte an Daten generiert, kann JWST täglich bis zu 57 GB produzieren (obwohl diese Menge davon abhängt, welche Beobachtungen geplant sind).
Menzel sagt, er habe die Frequenzauswahlvorschläge für JWST zum ersten Mal um das Jahr 2000 gesehen, als er bei arbeitete Northrop Grummann. 2004 wurde er Mission Devices Engineer. „Ich wusste, wo die Risiken bei dieser Mission lagen. Und ich wollte sicherstellen, dass wir keine neuen Risiken eingehen“, sagt er.
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Außerdem Ka-Bandfrequenzen können mehr Daten übertragen als X-Band (7 bis 11,2 GHz) bzw S-Band (2 bis 4 GHz), gängige Wahl für Fahrzeuge im Weltraum. Eine hohe Datenrate ist eine Voraussetzung für die wissenschaftliche Arbeit des JWST. Außerdem gem Karl Hansenein Flugsystemingenieur bei der Wissenschaftliches Institut für Weltraumteleskope (das Wissenschaftsbetriebszentrum für JWST) wäre eine vergleichbare X-Band-Antenne so groß, dass das Raumschiff Schwierigkeiten hätte, für die Bildgebung ruhig zu bleiben.
Obwohl der 25,9-GHz-Ka-Band-Frequenz ist der wichtigste Kommunikationskanal des Teleskops, es verwendet auch zwei Kanäle im S-Band. Einer ist der 2,09-GHz-Uplink, der zukünftige Übertragungs- und wissenschaftliche Beobachtungspläne mit 16 Kilobit pro Sekunde zum Teleskop überträgt. Der andere ist der 2,27-GHz-, 40-kb/s-Downlink, über den das Teleskop technische Daten überträgt – einschließlich seines Betriebsstatus, des Systemzustands und anderer Informationen über die täglichen Aktivitäten des Teleskops.
Alle wissenschaftlichen Daten, die das JWST während seiner Lebensdauer sammelt, müssen an Bord gespeichert werden, da das Raumschiff nicht rund um die Uhr Kontakt mit der Erde hat. Die von seinen wissenschaftlichen Instrumenten gesammelten Daten werden nach der Erfassung auf dem 68-GB-Sound-State-Laufwerk des Raumfahrzeugs gespeichert (3 Prozent sind für technische und Telemetriedaten reserviert). Alex Jägerebenfalls Flugsystemingenieur am Area Telescope Science Institute, sagt, dass sie bis zum Ende der 10-jährigen Missionsdauer des JWST aufgrund von Weltraumstrahlung und Verschleiß voraussichtlich auf etwa 60 GB reduziert sein werden.
Der integrierte Speicher reicht aus, um etwa 24 Stunden lang Daten zu sammeln, bevor der Speicherplatz ausgeht. Lange bevor dies zu einem Problem wird, wird JWST geplante Gelegenheiten haben, diese unschätzbaren Daten zur Erde zu beamen.
JWST bleibt über die verbunden Deep-House-Netzwerk (DSN) – ein Ressource, die es teilt mit der Parker Solar Probe, Transit-Exoplanet-Vermessungssatellitdas Voyager-Sonden, und das gesamte Ensemble der Mars Rover und Orbiter, um nur einige der anderen Schwergewichte zu nennen. Der DSN besteht aus drei Antennenkomplexe: Canberra, Australien Madrid, Spanien und Barstow, Kalifornien. JWST muss die begrenzte Antennenzeit mit vielen anderen Weltraummissionen teilen, von denen jede einzigartige Kommunikationsanforderungen und Zeitpläne hat.
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Sandy Kwan, ein DSN-Systemingenieur, sagt, dass Kontaktfenster mit Raumfahrzeugen 12 bis 20 Wochen im Voraus geplant sind. JWST hatte während seiner Inbetriebnahmephase eine größere Anzahl geplanter Kontaktfenster, da die Instrumente on the web gebracht, überprüft und kalibriert wurden. Der größte Teil dieses Prozesses erforderte eine Echtzeitkommunikation mit der Erde.
Alle Kommunikationskanäle verwenden die Reed-SolomonFehlerkorrekturprotokoll– derselbe Fehlerkorrekturstandard wie bei DVDs und Blu-ray-Discs sowie QR-Codes. Die S-Band-Kanäle mit niedrigerer Datenrate verwenden binärer Phasenverschiebungsschlüssel Modulation – mit Phasenverschiebung der Trägerwelle eines Signals. Der K-Band-Kanal verwendet jedoch eine Quadratur-Phasenumtastmodulation. Die Quadratur-Phasenumtastung kann die Datenrate eines Kanals verdoppeln, auf Kosten komplizierterer Sender und Empfänger.
Die Kommunikation des JWST mit der Erde beinhaltet ein Bestätigungsprotokoll – erst nachdem das JWST die Bestätigung erhält, dass eine Datei erfolgreich empfangen wurde, wird es fortfahren und seine Kopie der Daten löschen, um Platz zu schaffen.
Das Kommunikationssubsystem wurde zusammen mit dem Rest des Raumfahrzeugbusses zusammengebaut Northrop Grummannwobei handelsübliche Komponenten von mehreren Herstellern verwendet werden.
JWST hat eine lange und oft verzögerte Entwicklung, aber sein Kommunikationssystem war schon immer eine Grundlage für den Rest des Projekts. Mindestens ein Technique zuverlässig zu halten bedeutet, dass Sie sich um eine Sache weniger Sorgen machen müssen. Menzel kann sich zum Beispiel an Ideen für laserbasierte optische Systeme erinnern, die ausnahmslos abgelehnt wurden. „Ich kann mindestens zwei Mal zählen, dass ich von Leuten angesprochen wurde, die mit optischer Kommunikation experimentieren wollten“, sagt Menzel. „Jedes Mal, wenn sie zu mir kamen, schickte ich sie mit dem alten ‚Danke, aber ich brauche es nicht. Und ich will es nicht.’“
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