大数据文摘作品

作者：Mickey

2011年7月11日凌晨，乔·拜登总统、副总统卡玛拉·哈里斯和美国国家航空航天局局长比尔·纳尔逊公布了耗资100亿美元的詹姆斯·韦伯太空望远镜的首秀！

这是詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)发布了第一批图像。本张图片也是韦伯望远镜发布的首张全彩图像和光谱数据。

根据美国国家航空航天局的说法，这是迄今为止最深的宇宙红外图像！NASA表示，这张照片只用了望远镜四个仪器中的一个12.5小时的观察时间就创造出来了。

NASA表示，韦伯锐利的近红外视图显示了极其遥远星系中的微弱结构，提供了迄今为止最详细的早期宇宙视图。

“今天代表着探索我们宇宙的一个激动人心的新篇章，”哈里斯说。“从有史以来，人类就带着奇迹仰望夜空，多亏了几十年来一直致力于工程和科学奇迹的人们，我们才能以新的理解仰望天空。”

这张图像显示的是SMACS 0723，展示了位于南天的飞鱼座（Volans），是一个还未被广泛研究的地带。从照片上可以看到它周围的众多星系和很多弧线，这些弧线，被称为“爱因斯坦环”，是极大质量的前景星系团放大和扭曲了背后星体的光造成的。这张照片通过多种不同波长图像的叠加，展示了130多亿年前的宇宙景象。照片上展示的这片星系，从地球上看，大约只是手指尖上的一粒沙这么大，却包含了如此多的广袤深邃的内容。

这张图还只是本套图片中的一部分，美国国家航空航天局及其合作伙伴将于 7 月 12 日星期二在美国国家航空航天局电视直播期间发布韦伯的第一批全彩色图像和数据（称为光谱）的全系列，也欢迎大家关注。

作为有史以来最大最复杂的天文台发射进入太空，韦伯太空望远镜已经经历了六个月的准备期，终于开始进行科学工作了。这是一个非常庞大且细致的机器，也经过了多年的任务规划，才终于建立了第一批图像和数据：以图像的方式向整个人类展示来自太空的故事。

“韦伯的第一张全彩色图像的发布为我们所有人提供一个独特的时刻，让我们停下来惊叹于人类从未见过的景象，”华盛顿 NASA 总部韦伯项目科学家 Eric Smith 说。“这些图像将是数十年奉献、才华和梦想的结晶——但它们也只是一个开始。”

韦伯太空望远镜是欧洲空间局，加拿大航天局和美国国家航空航天局的共同合作开展的航空计划，也是哈勃空间望远镜和斯皮策空间望远镜的后继计划。它旨在提供比哈勃空间望远镜更高的红外分辨率和灵敏度，观察物体的亮度比哈勃望远镜探测到的最微弱物体的亮度要低100倍，这将使天文学和宇宙学领域的广泛研究成为可能，例如对宇宙中一些最古老和最遥远的物体和事件（包括第一颗恒星和形成的第一个星系）进行高达 z≈20的红移观测，以及潜在适居住太阳系外行星的详细大气特征。经过几个月的工作，这张全彩图像也是JWST向全人类交出的第一份作业。

尽管这张图像只是韦伯望远镜或者更深入宇宙探索的开始。但你肯定也会像文摘菌一样很关心，距离地球约150 万公里处的数据，到底是如何被存储并且准确传输到地球的呢？

150万公里外的每天57 GB 的数据如何存储并回传？

事实上，韦伯的通讯技术并不华丽。在遥远外太空作为信息获取信号，相比技术的先进性，数据和通信系统最需要的核心性能更是——可靠。但不可否认，JWST依然进行了很多技术上的突破。例如，这是第一个使用K a波段 频率来实现距离地球如此之高的数据速率的任务。同时，JWST 的通信为 JWST 的科学努力奠定了基础。

JWST 停在 拉格朗日点 L2 。这是一个引力平衡点，位于地球外约 150 万公里处，位于行星和太阳之间的直线上。对于 JWST 来说，这是一个理想的位置，可以无障碍地观察宇宙，并且轨道调整最少。

然而，距离地球如此之远，意味着数据要走得更远才能将其整合为一体。这也意味着通信子系统需要可靠，因为至少在短期内，一旦出现问题，派遣维修人员来修理的可能性极小。 JWST 的任务系统工程师Michael Menzel 说，考虑到所涉及的成本和时间，“除非出现严重错误，否则我不会进行会合和维修任务。”

据以某种身份从事 JWST 工作 20 多年的 Menzel 表示，该计划一直是使用广为人知的 K a波段频率来传输大量科学数据。具体来说，JWST 正在以高达 28 兆比特/秒的速度在 25.9 吉赫兹信道上将数据传输回地球。K a波段是更宽的 K 波段 的一部分（另一部分， Ku 波段 ，也被考虑在内）。

拉格朗日点是平衡位置，在该位置上，物体上的竞争引力牵引力为零。JWST 是目前占据 L2的另外两艘飞船之一。

JWST 的数据收集和传输速率都比旧的 哈勃太空望远镜 要高得多。与仍然处于活动状态并每天生成 1 到 2 GB 数据的哈勃相比，JWST 每天可以产生高达 57 GB 的数据（尽管该数量取决于计划的观测内容）。

力求稳定的数据传输计划

Menzel 说，他第一次看到 JWST 的频率筛选提案是在 2000 年左右，当时他还在 Northrop Grumman 工作。“我知道这次任务的风险在哪里。我想确保我们不会遇到任何新的风险，”他说。

此外，K a波段频率可以传输比 X 波段 （7 至 11.2 GHz）或 S 波段 （2 至 4 GHz）更多的数据，这是深空飞行器的常见选择。高数据速率是 JWST 将要进行的科学工作的必要条件。此外，根据 太空望远镜科学研究所 （JWST 科学运营中心）的飞行系统工程师 Carl Hansen 的说法，类似的 X 波段天线将非常大，以至于航天器难以保持稳定进行成像。

虽然 25.9-GHz K a波段频率是望远镜的主要通信频道，但它也在 S 波段中使用了两个频道。一种是 2.09-GHz 上行链路，它将未来的传输和科学观测计划以每秒 16 千比特的速度传送到望远镜。另一个是 2.27 GHz、40 kb/s 的下行链路，望远镜通过该下行链路传输工程数据——包括其运行状态、系统健康状况以及有关望远镜日常活动的其他信息。

数据存储

JWST 在其生命周期内收集的任何科学数据都需要存储在飞船上，因为航天器不会与地球保持全天候的联系。从其科学仪器收集的数据一旦收集，就会存储在航天器的 68 GB 固态驱动器中（3% 用于工程和遥测数据）。太空望远镜科学研究所的飞行系统工程师Alex Hunter表示，由于深空辐射和磨损，到 JWST 的 10 年任务寿命结束时，存储量预计将降至 60 GB 左右。

板载存储足以在空间用完之前收集大约 24 小时的数据。在这之前，JWST 将安排机会将这些宝贵的数据发送到地球。

JWST 将通过深空网络(DSN)与地球保持联系——这是它与帕克太阳探测器、凌日系外行星测量卫星、航海者探测器以及整个火星探测器和轨道飞行器共享的资源。DSN 由三个天线复合体组成：澳大利亚堪培拉；西班牙马德里; JWST 需要与许多其他深空任务共享有限的天线时间，每个任务都有独特的通信需求和时间表。

DSN 系统工程师Sandy Kwan说，与航天器的接触窗口计划提前 12 到 20 周。随着仪器上线、检查和校准，JWST 在其调试阶段有更多的预定联系窗口。该过程的大部分需要与地球进行实时通信。

通信通道

所有通信通道都使用Reed-Solomon纠错协议——与 DVD 和蓝光光盘以及 QR 码中使用的纠错标准相同。较低数据速率的 S 波段信道使用二进制相移键控调制——涉及信号载波的相移。然而，K 波段信道使用正交相移键控调制。正交相移键控可以使通道的数据速率加倍，但需要是更复杂的发射器和接收器。

JWST 与地球的通信包含一个确认协议——只有在 JWST 确认文件已成功接收后，它才会删除其数据副本以清理空间。

JWST的通信子系统由诺斯罗普·格鲁曼公司与航天器总线的其余部分一起组装，使用了来自多家制造商的现成组件。

素材来源：

https://spectrum.ieee.org/james-webb-telescope-communications

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/first-images-from-nasa-s-webb-space-telescope-coming-soon