December 9, 2022

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Les défis profonds des données du télescope James Webb

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Quand le Télescope spatial James Webb (JWST) dévoile ses premières photographs le 12 juillet, ils seront le sous-produit de miroirs et d’instruments scientifiques soigneusement conçus. Mais toutes ses prouesses en matière de collecte de données seraient sans objet sans le sous-système de communication du vaisseau spatial.

Les communications du Webb ne sont pas flashy. Au contraire, les systèmes de données et de conversation sont conçus pour être incroyablement, incontestablement fiables et fiables. Et bien que certains elements soient relativement nouveaux, c’est la première mission à utiliser Kun-bande fréquences pour des débits de données aussi élevés si loin de la Terre, par exemple – par-dessus tout, les communications de JWST constituent la base sur laquelle reposent les efforts scientifiques de JWST.


Comme l’ont noté les articles or blog posts précédents de cette série, JWST est garé à Position de Lagrange L2. C’est un position d’équilibre gravitationnel situé à approximativement 1,5 million de kilomètres au-delà de la Terre sur une ligne droite entre la planète et le soleil. C’est un endroit idéal pour JWST pour observer l’univers sans obstruction et avec des ajustements orbitaux minimes.

Cependant, être si loin de la Terre signifie que les données doivent voyager additionally loin pour revenir en un seul morceau. Cela signifie également que le sous-système de conversation doit être fiable, motor vehicle la standpoint d’une mission de réparation envoyée pour résoudre un problème est, du moins à court docket terme, hautement inconceivable. Compte tenu du coût et du temps nécessaires, dit Michel Menzell’ingénieur des systèmes de mission pour JWST, “Je n’encouragerais pas une mission de rendez-vous et d’entretien à moins que quelque selected ne tourne mal.”

Selon Menzel, qui a travaillé sur JWST dans une certaine mesure pendant plus de 20 ans, le prepare a toujours été d’utiliser K bien comprisun-bande de fréquences pour les transmissions volumineuses de données scientifiques. Plus précisément, JWST transmet des données vers la Terre sur un canal de 25,9 gigahertz jusqu’à 28 mégabits par seconde. Le Kun-la bande est une partie de la moreover big bande K (une autre partie, la Bande Kua également été pris en compte).

Les details de Lagrange sont des emplacements d’équilibre où les tractions gravitationnelles concurrentes sur un objet se réduisent à zéro. JWST est l’un des deux autres bateaux occupe actuellement la L2. Spectre IEEE

Les taux de collecte et de transmission des données du JWST éclipsent ceux des anciens Le télescope spatial Hubble. Comparé à Hubble, qui est toujours actif et génère 1 à 2 gigaoctets de données par jour, JWST peut produire jusqu’à 57 Go chaque jour (bien que ce montant dépende des observations programmées).

Menzel dit qu’il a vu pour la première fois les propositions de sélection de fréquences pour JWST vers 2000, alors qu’il travaillait chez Northrop Grumman. Il est devenu ingénieur des systèmes de mission en 2004. « Je savais où étaient les risques dans cette mission. Et je voulais m’assurer que nous n’aurions pas de nouveaux risques », dit-il.

Spectre IEEE

D’ailleurs, Kun-les fréquences de bande peuvent transmettre additionally de données que Bande X (7 à 11,2 GHz) ou bande S (2 à 4 GHz), choix courants pour les engins dans l’espace lointain. Un débit de données élevé est une nécessité pour le travail scientifique que JWST entreprendra. De moreover, selon Carl Hanseningénieur des systèmes de vol au Institut des sciences du télescope spatial (le centre des opérations scientifiques du JWST), une antenne en bande X similar serait si grande que le vaisseau spatial aurait du mal à rester stable pour l’imagerie.

Bien que le K 25,9 GHzun-la fréquence de bande est le canal de conversation de cheval de bataille du télescope, il utilise également deux canaux dans la bande S. L’un est la liaison montante de 2,09 GHz qui achemine les futurs programmes de transmission et d’observation scientifique vers le télescope à 16 kilobits par seconde. L’autre est la liaison descendante de 2,27 GHz, 40 kbit/s sur laquelle le télescope transmet des données d’ingénierie, notamment son état de fonctionnement, l’état de santé des systèmes et d’autres informations concernant les activités quotidiennes du télescope.

Toutes les données scientifiques recueillies par le JWST au cours de sa durée de vie devront être stockées à bord, vehicle le vaisseau spatial ne maintient pas de speak to 24 heures sur 24 avec la Terre. Les données recueillies à partir de ses instruments scientifiques, une fois collectées, sont stockées dans le disque SSD de 68 Go du vaisseau spatial (3 % sont réservés aux données d’ingénierie et de télémétrie). Alex Hunterégalement ingénieur en systèmes de vol au Room Telescope Science Institute, a déclaré qu’à la fin de la durée de vie de la mission de 10 ans du JWST, ils s’attendent à être tombés à environ 60 Go en raison du rayonnement de l’espace lointain et de l’usure.

Le stockage embarqué est suffisant pour collecter des données pendant approximativement 24 heures avant qu’il ne manque d’espace. Bien avant que cela ne devienne un problème, JWST aura des opportunités programmées pour transmettre ces données inestimables à la Terre.

JWST restera connecté by way of le Réseau de l’espace lointain (DSN)—un ressource qu’il partage avec la sonde solaire Parker, Satellite d’étude d’exoplanètes en transitla Sondes Voyager, et l’ensemble des rovers et orbiteurs de Mars, pour ne citer que quelques-uns des autres poids lourds. La DSN est composée de trois complexes d’antennes: Canberra, Australie Madrid, Espagne et Barstow, en Californie. JWST doit partager un temps d’antenne limité avec de nombreuses autres missions dans l’espace lointain, chacune ayant des besoins et des horaires de conversation uniques.

Spectre IEEE

Sandy Kwan, un ingénieur système de la DSN, précise que les fenêtres de make contact with avec les engins spatiaux sont programmées 12 à 20 semaines à l’avance. JWST avait un in addition grand nombre de fenêtres de call planifiées pendant sa stage de mise en assistance, motor vehicle les instruments étaient mis en ligne, vérifiés et calibrés. La majeure partie de ce processus nécessitait une conversation en temps réel avec la Terre.

Tous les canaux de interaction utilisent le Reed-Salomonprotocole de correction d’erreurs– la même norme de correction d’erreurs que celle utilisée dans les DVD et les disques Blu-ray ainsi que les codes QR. Les canaux en bande S à faible débit de données utilisent clé de déphasage binaire modulation – impliquant le déphasage de l’onde porteuse d’un signal. Le canal en bande K, cependant, utilise une modulation par décalage de section en quadrature. La modulation par déplacement de period en quadrature peut doubler le débit de données d’un canal, au prix d’émetteurs et de récepteurs as well as compliqués.

Les communications de JWST avec la Terre intègrent un protocole d’accusé de réception. Ce n’est qu’après que le JWST a reçu la confirmation qu’un fichier a été reçu avec succès qu’il ira de l’avant et supprimera sa copie des données pour libérer de l’espace.

Le sous-système de communication a été assemblé avec le reste du bus de l’engin spatial par Northrop Grummanen utilisant des composants prêts à l’emploi provenant de plusieurs fabricants.

JWST a eu une longue et développement souvent retardé, mais son système de communication a toujours été un fondement pour le reste du projet. Garder au moins un système fiable signifie que c’est une chose de moins à craindre. Menzel se souvient, par exemple, des idées de systèmes optiques à foundation de laser qui étaient invariablement rejetées. “Je peux compter au moins deux fois où j’ai été approché par des personnes qui voulaient expérimenter les communications optiques”, explique Menzel. “Chaque fois qu’ils venaient me voir, je les renvoyais avec le vieux ‘Merci, mais je n’en ai pas besoin. Et je n’en veux pas.

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