Инженеры рассказали, как общаются с «Джеймсом Уэббом» по сети DSN
Космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб» находится почти в 1,5 миллиона километров от Земли и вращается вокруг точки Лагранжа 2 Солнце-Земля. Как инженеры отправляют команды и получают телеметрию — научные и инженерные данные из обсерватории — с такого расстояния? Они используют DSN (сеть глубокого космоса) для связи с обсерваторией.
У DSN есть три объекта по всему миру, каждый из которых расположен на расстоянии 120 градусов друг от друга. Антенны есть в Голдстоуне, Калифорния; Канберре, Австралия; и Мадриде, Испания. Они позволяют общаться с «Уэббом» в любое время суток. DSN управляется Лабораторией реактивного движения НАСА (JPL) в Южной Калифорнии. Кари Босли, ведущий специалист по планированию миссии «Уэбба» в Научном институте космического телескопа (STScI), подробно рассказывает нам о процессе коммуникации между «Уэббом» и DSN.
«Как мы планируем время контакта с «Уэббом»? Это не так просто, как поднять телефонную трубку и позвонить на телескоп. Для того чтобы Земля могла связаться с «Уэббом», необходимо выполнить несколько действий, прежде чем запланировать контакт. В среднем оперативный центр миссии «Уэбба» соединяется с обсерваторией по меньшей мере два-три раза в течение 24 часов. В STScI, где расположен Центр управления полетами (MOC), есть специалисты по планированию миссий, в JPL и, конечно же, в комплексах DSN. Специалисты по планированию миссий в STScI работают совместно с специалистами по планированию миссий в JPL, чтобы установить контакты с «Уэббом».
Как мы узнаем, когда сможем связаться с «Уэббом»? Центр динамики полета в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА отправляет MOC в STScI данные о периодах обзора, в течение которых обсерватория видна с этих трех разных точек DSN. Планировщик миссий сравнивает это время с тем, что доступно в системе планирования, где другие миссии соревнуются за время со своими космическими аппаратами. Всем миссиям требуется определенное количество времени для связи со своим космическим аппаратом, и сроки зависят от того, где космический аппарат находится в космосе. Бывают случаи, когда происходят конфликты между несколькими миссиями, и запрашивается один и тот же ресурс одновременно. Когда это происходит, наш специалист по планированию миссий в JPL проводит переговоры с другими миссиями, чтобы прийти к компромиссу, который удовлетворит все миссии. Как только все переговоры завершаются, графики рассылаются специалистам по планированию миссий на срок до шести месяцев вперед. Расписание на первые восемь недель является фиксированным, и никакие изменения не допускаются, если только не произойдет чрезвычайной ситуации или важного события с космическим аппаратом. Более поздние периоды являются предметом продолжающихся переговоров».
«Уэбб» общается с сетью антенн DSN, используя радиочастоты S-диапазона и Ka-диапазона. Для связи в S-диапазоне команды передаются по восходящей линии со скоростью 16 килобит в секунду (кбит/с), а инженерная телеметрия обсерватории и определение дальности передаются по нисходящей линии со скоростью 40 Кбит/с. Для связи в Ka-диапазоне сохраненные научные и инженерные данные и телеметрия передаются по нисходящей линии со скоростью 28 Мегабит в секунду.
«Комплексы DSN используют 34-метровые антенны для связи с «Уэббом», а 70-метровые антенны используются в качестве резервных. DSN поддерживает различные распределения радиочастот, такие как частоты S-диапазона и Ka-диапазона, которые использует «Уэбб». S-диапазон имеет меньшую полосу пропускания, и мы используем его для отправки команд космическому аппарату (например, для запуска воспроизведения самописца), для получения технической телеметрии для контроля работоспособности и безопасности обсерватории, а также для определения дальности. Ранжирование — это процесс определения местоположения и траектории «Уэбба» по задержке между отправкой сигнала вверх и его возвращением на Землю.
Мы используем Ka-диапазон для нисходящей передачи сохраненных научных и инженерных данных, а также некоторой телеметрии с космического аппарата. Если бы мы использовали S-диапазон для нисходящей передачи данных, загрузка данных за каждый день заняла бы много дней. С Ka-диапазоном это занимает гораздо меньше времени, и обычно мы можем завершить загрузку всех сохраненных данных за пару часов.
Большинство наших контактов длятся от двух до шести часов. Обычно мы запрашиваем контакты продолжительностью не менее четырех часов. Поскольку DSN проводит почти 40 различных миссий, планирование является сложным. Бывают моменты, когда наши контакты очень короткие, и моменты, когда они более длительные. При каждом контакте важно передавать вниз как можно больше данных, поскольку телескоп постоянно проводит научные наблюдения и получает все больше данных. Когда мы не находимся на связи, телескоп продолжает автономно выполнять научные наблюдения. Эти данные сохраняются на твердотельном регистраторе и передаются по нисходящей линии при следующем контакте».