چالش‌های پیچیده مدیریت و ارسال داده‌های تلسکوپ فضایی جیمز وب – حافظه SSD تنها 68 گیگی جیمز وب

۲۸ تیر ۱۴۰۱آخرین بروزرسانی: ۲ مرداد ۱۴۰۱

زمان تقریبی مطالعه 4 دقیقه

تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST) اولین تصاویر خود را در 12 جولای رونمایی کرد. اما تمام این تلاش‌ها در جمع‌آوری داده‌ از ژرفای کیهان، بدون زیرسیستم ارتباطی فضاپیما غیرممکن بود.

شیوه ارسال داده‌ها و سیستم‌های ارتباطی در جیمز وب طوری طراحی شده‌اند که قابل اعتماد باشند. این اولین مأموریتی است که برای مثال از فرکانس‌های باند K برای چنین نرخ‌های داده بالایی استفاده می‌کند.

تلسکوپ جیمز وب در نقطه لاگرانژ L2 مستقر شده که نقطه تعادل گرانشی است که در حدود 1.5 میلیون کیلومتری از زمین در یک خط مستقیم بین زمین و خورشید قرار دارد. این یک مکان ایده‌آل برای جیمز وب، با نیاز حداقلی برای تنظیمات مداری است.

با این حال، دور بودن از زمین به این معنی است که داده‌ها باید مسیر‌ بیشتری را طی کنند تا به صورت یکپارچه به زمین برسند. همچنین به این معنی است که زیرسیستم ارتباطات باید قابل اعتماد باشد، زیرا بعید است که بتوان چنین سیستمی را بتوان تعمیر کرد.

مایکل منزل، مهندس سیستم‌های ماموریت جیمز وب، می‌گوید که توجه به هزینه‌ها و زمان لازم، جیمز وب باید طوری طراحی می‌شد که بدون خطا کار کند و نیاز به تعمیری نداشته باشد.

به گفته منزل، که بیش از 20 سال روی جیمز وب کار کرده ، سیستم ارتباطی باید از باند فرکانسی K برای ارسال حجیم داده‌های علمی استفاده می کرد. یعنی داده‌ها در یک کانال 25.9 گیگاهرتز تا 28 مگابیت بر ثانیه به زمین ارسال می‌شود. باند K بخشی از باند K گسترده‌تر است (بخش دیگری، باند Ku نامیده می‌شود.)

در مقایسه با هابل که هنوز فعال است و روزانه 1 تا 2 گیگابایت داده تولید می‌کند، JWST می‌تواند تا 57 گیگابایت در روز تولید کند (اگرچه این مقدار بستگی به برنامه رصدی روزانه‌اش هم دارد.)

منزل می‌گوید که اولین بار پیشنهاد‌های انتخاب فرکانس برای جیمز وب را در حدود سال 2000، زمانی که در شرکت Northrop Grumman کار می‌کرد، دید. او در سال 2004 مهندس سیستم‌های ماموریت شد.

«می‌دانستم خطرات در این ماموریت کجاست. و من می‌خواستم مطمئن شوم که خطر جدیدی متوجه ما نمی‌شود. »

علاوه بر این، فرکانس‌های باند K می‌توانند داده‌های بیشتری را نسبت به باند X (7 تا 11.2 گیگاهرتز) یا باند S (2 تا 4 گیگاهرتز) که گزینه‌های رایج برای فضاپیما در فضای ژرف هستند، منتقل کنند. سرعت داده بالا یک ضرورت برای کار علمی است که جیمز وب انجام خواهد داد.

علاوه بر این، به گفته کارل هانسن، مهندس سیستم‌های پرواز در مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی (مرکز عملیات علمی JWST)، دلیل دیگر استفاده از باند K‌ می‌تواند این باشد که یک آنتن باند X به اندازه‌ای بزرگ است که فضاپیما در ثابت ماندن برای تصویربرداری با مشکل مواجه می‌شد.

اگرچه فرکانس باند K 25.9 گیگاهرتز کانال ارتباطی تلسکوپ است، اما از دو کانال در باند S نیز استفاده می‌کند. یکی از آن‌ها 2.09 گیگاهرتز است که برنامه‌های رصد علمی را با سرعت 16 کیلوبیت در ثانیه به تلسکوپ می‌رساند. مورد دیگر، 2.27 گیگاهرتز، 40 کیلوبایت بر ثانیه است که تلسکوپ داده‌های مهندسی از جمله وضعیت عملیاتی، سلامت سیستم و سایر اطلاعات مربوط به فعالیت‌های روزانه تلسکوپ را از طریق آن ارسال می‌کند.

در ضمن جالب است بدانید که اینگونه نیست که جیمز وب به صورت پیوسته و زنده همه داده‌های رصدی را ارسال کند.

همه داده‌های علمی که جیمز وب جمع‌آوری می‌کند باید در داخل حافظه‌اش ذخیره شود، زیرا فضاپیما تماس شبانه روزی با زمین ندارد. داده‌های جمع‌آوری شده از ابزار‌های علمی آن، پس از جمع‌آوری، در حافظه SSD ویژه 68 گیگابایتی فضاپیما ذخیره می‌شود.

3 درصد از این فضا برای داده‌های مهندسی و تله متری حفظ می‌شود و بقیه برای داده‌های رصدی استفاده می‌شود.

الکس هانتر، یک مهندس سیستم‌های پرواز در مؤسسه علمی تلسکوپ فضایی، می‌گوید که تا پایان عمر ماموریت 10 ساله JWST، به دلیل تشعشعات و فرسودگی در اعماق فضا، انتظار می‌رود میزان حافظه در دسترس به 60 گیگابایت کاهش یابد.

این فضای ذخیره‌سازی آنبورد برای جمع‌آوری داده‌ها برای حدود 24 ساعت قبل از تمام شدن فضا است و جیمز وب معمولا فرصت کافی برای ارسال و باز کردن جا برای داده‌های جدید روی این SSD دارد.

JWST از طریق شبکه فضایی عمیق (DSN) آنلاین می‌شود. این شبکه ارتباطی فضایی در ضمن کاربرهای مشهوری دیگری هم دارد!

کدام کاربرها؟

کاوشگر خورشیدی پارکر، ماهواره بررسی سیارات فراخورشیدی گذری، کاوشگر‌های وویجر، و کل مجموعه مریخ نورد‌ها و مدارگرد‌ها.

ابزارهای زمین شبکه فضایی عمیق کدام‌ها هستند؟

سه مجتمع آنتن 1- در کانبرا در استرالیا 2- مادرید، اسپانیا و 3- شهر بارستو، کالیفرنیا.

سندی کوان، مهندس سیستم‌های DSN، می‌گوید که پنجره‌های تماس با فضاپیما 12 تا 20 هفته قبل برنامه‌ریزی می‌شود. جیمز وب در ابتدای امر و در مرحله راه‌اندازی تعداد بیشتری پنجره تماس برنامه‌ریزی شده داشت، زیرا ابزار‌های آن بایستی بررسی و کالیبره می‌شدند و بیشتر این فرآیند نیاز به ارتباط بی‌درنگ با زمین داشت.

همه کانال‌های ارتباطی از پروتکل تصحیح خطا Reed-Solomon استفاده می‌کنند – همان استاندارد تصحیح خطا که در DVD‌ها و دیسک‌های Blu-ray و همچنین کد‌های QR استفاده می‌شود. کانال‌های باند S با نرخ داده پایین‌تر از مدولاسیون کلید شیفت فاز باینری استفاده می‌کنند که شامل تغییر فاز موج حامل سیگنال است. اما کانال باند K، از مدولاسیون کلید تغییر فاز چهارگانه استفاده می‌کند. کلید‌های تغییر فاز چهارگانه می‌تواند سرعت داده کانال را دو برابر کند و این به یاری فرستنده‌ها و گیرنده‌های پیچیده‌تر به دست آمده است.

ارتباط جیمز با زمین شامل یک پروتکل تصدیق می‌شود. یعنی اینکه پس از اینکه جیمز وب تأیید کرد که فایلی با موفقیت دریافت شده، ادامه می‌یابد و کپی داده‌های خود را برای پاک کردن فضا حذف می‌کند.

زیرسیستم ارتباطی توسط شرکت نورثروپ گرامن مونتاژ شده و در آن از قطعات اختصاصی استفاده شده که به چند شرکت سفارش داده شده بودند.

مراحل توسعه جیمز وب طولانی و اغلب با تأخیر بوده، اما طراحی و ساخت سیستم ارتباطی آن همیشه همراه بقیه پروژه پیش رفته است. قابل اعتماد نگه داشتن این سیستم ارتباطی برای رفع نگرانی لازم بوده است.

منزل می‌تواند حتی در بازه‌های پیشنهادهایی برای سیستم‌های ارتبباطی نوری مبتنی بر لیزر وجود داشته که رد شده‌اند.

منبع