衛星接收機故障維修50例(衛星電視接收機維修教程)

發布日期：2022-12-02 16:08:31 瀏覽：

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這兩天持續刷屏的韋伯太空望遠鏡靠什么存儲數據和通訊？

當地時間 7 月 12 日，美國國家航空航天局（NASA）在官網上公布了一張由詹姆斯·韋伯太空望遠鏡從距離地球 100 萬英里處拍攝的全彩照片。這是人類史上首次捕捉到深空宇宙畫面的高解析度圖像，照片中顯示了最早期的恒星和星系。

2021 年 12 月 25 日，韋伯太空望遠鏡從法屬圭亞那的歐洲空間局庫魯基地升空，起飛 7 天后，在該望遠鏡距離地球約 80.86 萬公里時，按照計劃完成了遮光罩的展開動作。一個月后飛至離地球約 150 萬公里 遠的拉格朗日 L2 點工作區域，對遮陽板和鏡片完全展開并且調試，隨后便開始了探索宇宙起源的征程。

詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目啟動于 1996 年，由美國宇航局、歐洲航天局（ESA）和加拿大航天局（CSA）合作開發，是來自美國 29 個州和全球 14 個國家的數千名工程師、數百名科學家、300 所大學、機構和公司共同努力的結晶。

此項目最初被稱為“新一代太空望遠鏡”（Next Generation Space Telescope），2002 年，為了紀念在阿波羅登月計劃中做出突出貢獻的 NASA 第二任局長詹姆斯·韋伯，改以其名字命名。

26 年研發期間，韋伯太空望遠鏡“燒掉”了百億美元，是迄今為止美國航天局建造的最大、功能最強的空間望遠鏡。

距離地球約 150 萬公里的韋伯靠什么通訊？

那么，這個有望引領世界進入太空探索新時代的韋伯望遠鏡，究竟靠什么將拍攝到的圖片傳輸到地球上？

據 NASA 稱，韋伯的通信系統并不華麗。相反，數據和通信系統的設計除了可靠，還是可靠。

韋伯望遠鏡停在拉格朗日點 L2。這是一個引力平衡點，位于地球外約 150 萬公里處，位于行星和太陽之間的直線上。對于韋伯望遠鏡來說，這是一個理想的位置，可以無障礙地觀察宇宙，并且軌道調整最少。

然而，距離地球如此之遠，意味著數據要走得更遠才能將其整合為一體。這也意味著通信子系統需要可靠，因為至少在短期內，派遣維修任務來解決問題的可能性極小。韋伯望遠鏡的任務系統工程師 Michael Menzel 稱，考慮到所涉及的成本和時間，“除非出現嚴重錯誤，否則我不贊同讓韋伯望遠鏡執行會合和維修任務。”

參與韋伯望遠鏡項目 20 多年的工程師 Michael Menzel 表示，該計劃一直是使用廣為人知的 Ka 波段頻率來傳輸大量科學數據。具體來說，韋伯望遠鏡正在以高達 28 兆比特 / 秒的速度在 25.9 GHz 信道上將數據傳輸回地球。Ka 波段是更寬的 K 波段的一部分（另一部分 Ku 波段，也被考慮在內）。

拉格朗日點是平衡位置，在該位置上，物體上的競爭引力牽引力為零。韋伯望遠鏡是目前占據 L2 的另外兩艘飛船之一。圖片來源：IEEE

韋伯望遠鏡的數據收集和傳輸速率與舊的哈勃太空望遠鏡有著是天壤之別。與仍然處于活動狀態并每天生成 1 到 2 GB 數據的哈勃相比，韋伯望遠鏡 每天可以產生高達 57 GB 的數據（盡管該數量取決于計劃的觀測內容）。

穩定的數據傳輸能力至關重要

Menzel 強調，他第一次看到韋伯望遠鏡的頻率選擇建議是在 2000 年左右，當時他還在 Northrop Grumman 工作。他于 2004 年成為韋伯望遠鏡任務系統工程師。“我知道這次任務的風險在哪里。我想確保我們沒有遇到任何新的風險，”他說。

圖片來源：IEEE

此外，Ka 波段頻率可以傳輸比 X 波段（7 至 11.2 GHz）或 S 波段（2 至 4 GHz）更多的數據，這是深空飛行器的常見選擇。

高速數據是韋伯望遠鏡將要進行的科學工作的必要條件。此外，根據太空望遠鏡科學研究所（韋伯望遠鏡科學運營中心）的飛行系統工程師 Carl Hansen 的說法，類似的 X 波段天線太大了，無法保證航天器穩定成像。

雖然 25.9 GHz Ka 波段頻率是望遠鏡的主要通信頻道，但它也在 S 波段中使用了兩個頻道。一種是 2.09 GHz 上行鏈路，它將未來的傳輸和科學觀測計劃以每秒 16 千比特的速度傳送到望遠鏡。另一個是 2.27 GHz、40 kb/s 的下行鏈路，望遠鏡通過該下行鏈路傳輸工程數據，這些工程數據包括其運行狀態、系統健康狀況以及有關望遠鏡日常活動的其他信息。

韋伯望遠鏡在其生命周期內收集的所有科學數據都需要存儲在飛船上，因為航天器不會與地球保持全天候的聯系。從其科學儀器上收集到的數據，也都會存儲在航天器的 68 GB 固態驅動器中（3% 用于工程和遙測數據）。

最多能存儲 68GB 數據

太空望遠鏡科學研究所的飛行系統工程師 Alex Hunter 表示，由于深空輻射和磨損，到韋伯望遠鏡 10 年任務壽命結束時，他們預計，固態驅動器的數據存儲能力將從 68GB 降至 60GB 左右。

板載存儲足以在空間用完之前收集大約 24 小時的數據。在出現這種問題之前，韋伯望遠鏡將找機會將這些寶貴的數據發送到地球。

韋伯望遠鏡將通過深空網絡（DSN）與地球保持聯系——這是它與 Parker 太陽探測器、凌日系外行星測量衛星、航海者探測器以及整個火星探測器和軌道飛行器共享的資源。

DSN 由三個天線復合體組成：澳大利亞堪培拉、西班牙馬德里、加利福尼亞州巴斯托。韋伯望遠鏡需要與許多其他深空任務共享有限的天線時間，每個任務都有獨特的通信需求和時間表。

圖片來源：IEEE

DSN 系統工程師 Sandy Kwan 稱，與航天器的接觸窗口需要提前 12 到 20 周進行規劃。這樣韋伯望遠鏡才能在其儀器上線、檢查和校準等調試階段有更多的預定聯系窗口。該過程的大部分需要與地球進行實時通信。

所有通信通道都使用 ReedSolomon 糾錯協議——與 DVD 和藍光光盤以及 QR 碼中使用的糾錯標準相同。較低數據速率的 S 波段信道使用二進制相移鍵控調制——涉及信號載波的相移。然而，K 波段信道使用正交相移鍵控調制。正交相移鍵控可以使通道的數據速率加倍，但代價是更復雜的發射器和接收器。

韋伯望遠鏡與地球的通信包含一個應答協議——只有在韋伯望遠鏡確認文件已成功接收后，它才會繼續刪除其數據副本以清理空間。

通信子系統由諾斯羅普·格魯曼公司與航天器總線的其余部分一起組裝，使用來自多家制造商的現成組件。

韋伯望遠鏡的開發時間長且經常延遲，但其通信系統一直是項目其余部分的基石。保持至少一個系統的可靠性意味著少了一件需要擔心的事情。

344 個“坑”，“坑坑”毀所有

據透露，工程師在建造像韋布望遠鏡這樣的空間儀器時，會保留一份事項清單，其中任何一項出現問題，帶來的后果可能是災難性的，這就是所謂的“單點故障”清單。換句話說，任何一處單點故障都可能會造成整體故障。

之所以會有“單點故障”清單，是想通過開發備份系統和冗余來使“單點故障”列表盡可能短，但由于設計、技術、預算、人員等限制因素，通常意味著某些“單點故障”必須保留在這份清單當中。

例如，1980 年代美國宇航局（NASA）發送到木星的伽利略探測器有大約 30 個單點故障，一次火星登陸的單點故障有 100 多個。Menzel 在談到韋伯任務時表示：“韋伯有 344 個單點故障，其中 80% 可以通過準備工作避免，但依舊難以完全避開。”

詹姆斯韋伯太空望遠鏡屬于折疊的太空望遠鏡，在發射進入太空后，需要自行伸展，到達目標形狀。

韋伯飛船系統工程師 Krystal Puga 在發布會上說，韋伯飛船有 144 個釋放裝置（折疊單位），“所有裝置都必須完美工作”。

NASA 戈達德韋伯部署系統負責人 Alphonso Steward 在簡報中也表示：“就像折紙一樣，為了實現特定的形狀，正確的折疊和展開是必要的。”

Menzel 解釋說，團隊已經在盡可能地減少了折疊數量。他說：“我們使用了大型柔性膜來達到最佳平衡點，而不會增加太多的單點故障。”

盡管任務，尤其是部署階段存在大量單點故障，但 Menzel 強調了任務團隊為確保成功所做的大量工作。“當我們發現單點故障時，我們會給予非常特殊的處理。我們有所謂的關鍵項目控制計劃，并且我們總是會設置額外的檢查點。我們已經對這些設備進行了額外的離線測試，”Menzel 說。

他補充說，NASA 和諾斯羅普·格魯曼（Northrop Grumman）對每一個發現單點故障都進行了額外的檢查和測試，以了解它可能失敗的不同方式，并盡可能做好準備。“我們對單點故障項目給予了很多關注，”他說。

隨時準備上場的 Plan B

盡管任務艱難而又復雜，但任務團隊仍然需要迎難而上。Menzel 解釋道：“團隊不能建立冗余，但任務總體上也有很多應急計劃或者備選方案。

“我們確實有多個應急計劃，”Menzel 說道。他補充說，應急計劃有的非常簡單，也有的非常復雜，有些計劃就像重新發送沒有發送成功的命令一樣簡單，他說，”在韋伯望遠鏡大部分任務中有‘相當多的冗余’”。

韋伯團隊一直在確保他們的備份計劃和內置冗余功能按預期工作，以防萬一。

此外，研究團隊還需要確保太空望遠鏡的太陽能電池板可以正常展開，因為電力是詹姆斯韋伯太空望遠鏡最為核心的能量源，擁有電力，詹姆斯韋伯太空望遠鏡才能和地球溝通。

韋伯的任務何時結束？

科學家通常希望在望遠鏡的使用壽命期間能夠盡可能多地獲取有用信息。據 NASA 表示，從發射之日起，望遠鏡的壽命不會少于 5.5 年，韋伯團隊希望將其壽命延長至 10 年以上，而望遠鏡的壽命取決于它在軌道上使用的燃料量，以及航天器上設備和儀器的效率。

目前，NASA 已經為韋伯空間天文臺提供了足夠 10 年的燃料，之后——如果一切按計劃進行——望遠鏡將耗盡燃料，然后逐漸偏離它的路徑，成為漂浮在太空中的垃圾之一。

參考鏈接：

https://spectrum.ieee.org/jameswebbtelescopecommunications

https://www.space.com/jameswebbspacetelescopedeploymentpointsoffailure

拓展知識：