太阳系探测任务的通讯支柱:NASA的深空网路

发布单位:台北市立天文科学教育馆

  50多年前,NASA阿波罗11号的登月激荡了全世界的想象力,并启发后人持续往太空探索。当时的深空网路Deep Space Network(DSN) 才刚开始发展,对于太空任务的追踪与通讯却是十分重要。NASA接下来的登月计划阿提米斯Artemis(阿提米丝1号于北京时间2022年11月16日14时47分顺利升空),也少不了它的参与。在相隔将近一甲子的两次登月任务,深空网路同时也支援其他数十个探测太阳系任务。

  深空网路由美国南加州的喷射推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)负责执行,监督单位为NASA的太空通讯导航计划Space Communications and Navigation(SCaN)Program。阿提米丝1号发射之后,深空网路将支援无人驾驶的猎户座太空船,在近地轨道附近的通讯,包括任务的出发、返航、和飞行期间的机动需求,确保指令可以顺利送达、数据可以回传地球。

  深空网路将搭配NASA的Near Space Network(由美国马里兰州的戈达德太空飞行中心负责,也受SCaN的监督),一同合作建立网路的基础所需,给未来到月球表面的载人阿提米丝计划。

  为了确保深空网路符合使用需求,现在正在进行一系列的升级以增加容量。在管理方面,也需要一个强大的调度与规划系统,确保深空网路能够涵盖这么多任务之间的讯号收发。因此每个任务的调度员之间的协商和团队合作,对深空网路的运作也很关键。

  JPL的深空网路负责经理Michael Levesque表示:「不同的探测任务,有不同的使用需求,这取决于任务的各个阶段。像是任务的发射、着陆和飞行期间,需借由深空网路保持联系,因此通常要提早12到15个星期,规划网路的使用时间表。」例如,NASA的双小行星改道测试任务(DART),撞击小行星Dimorphos于9月期间需要传输大量的数据。DART需要连续24小时全记录整个小行星的撞击过程,透过深空网路从地球向飞行器发送指令、飞行器将数据回传到地球、了解飞行器的运作状态、和后续撞击的影响。Levesque说:「这段期间会佔用深空网路的资源,在撞击的几个月前,就要开始规划时间表,不影响其他任务的进行。」

  如遇紧急状况,无法依原订计划执行,负责任务的调度员之间会即时讨论作出调整。依照使用网路的需求强度,也有其他方式可减少安排时间的复杂度。如果同时有任务的关键时刻重叠,飞行器可先启动身上的储存设备处理,等之后通讯需求较低的时候,再将科学数据回传。

  深空网路的硬体设备分布在全球三处:美国加州金石Goldstone、西班牙马德里Madrid、澳洲坎培拉Canberra,经度相隔120度的跨国巨型无线电天线阵列,让网路覆盖全球,确保地面能够跟飞行器进行通讯,不受地球自转影响而中断。即时深空网路,可查询当下无线电天线正在跟哪个任务的飞行器进行通讯。 (编译/台北天文馆潘康娴)

(左)阿提米斯1号任务期间主要透过深空网路进行通讯。(中)深空网路的位于美国加州Goldstone的无线电天线。(右)深空网路也负责DART任务的通讯。图片来源:NASA/JPL-Caltech/Johns Hopkins APL
图说:(左)阿提米斯1号任务期间主要透过深空网路进行通讯。(中)深空网路的位于美国加州Goldstone的无线电天线。(右)深空网路也负责DART任务的通讯。图片来源:NASA/JPL-Caltech/Johns Hopkins APL

资料来源:JPL

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