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把卫星的秘密传回地球——NASA打造庞大的空间通信数据传输网络

时间:2016年06月20日 信息来源:文汇报 点击: 【字体:

图为NASA在阿拉斯加的卫星地面站最新设置的接收天线,由阿拉斯加大学费尔班克斯分校负责运行管理。


NASA近地网络地面站站点分布图 (2016)

太空与地球数据传输网 (NEN) 的地面接收站目前已分布在世界很多国家,其中有美国宇航局 (NASA) 直属的站点,也有南非航天局 (SANSA)、美国SSC航天公司 (SSC Space US)、挪威康斯堡卫星服务 (KAST)、瑞典航空公司 (SSC)、美国海洋和大气管理局 (NOAA) 等机构的商业站点。

80天环游世界?在150年前儒勒·凡尔纳写下这篇小说的那个时代,这只是一种科学幻想。但今天,来自宇宙飞船的数据信息在几分钟内就能传输到地球各处。

随着越来越多的卫星和航天器发射升空,空间通信的需求日益增加。美国宇航局 (NASA) 正在打造一张无形的网络———太空与地球数据传输网 (theNear Earth Network,NEN),将为未来的空间数据接收和传输提供更出色的服务。

天地如何“交谈”

“只有当航天器出现在轨道上某个点的时候,天线才可以‘看’到它,这就好比你和我只有在看到对方的时候,才能互相交谈。”

NASA正在打造的近地通信网 (the Near Earth Network,NEN),是将低地轨道、同步轨道,甚至绕月轨道航天器上的信息传回地球的一个空间通信渠道。科学家可利用这些信息资料,在地面上进行各种研究。

像哈勃太空望远镜这样的绕轨道天文台,不断收集着大量的数据,如科学家的观察结果、航天器的运行情况等,只有当这些数据返回地球并由研究人员进行加工处理后,哈勃太空望远镜和其他探测卫星的任务使命才算圆满完成。在没有互联网、电话线或光纤电缆等通信联系的太空,如何将这些信息传回地球呢? 应运而生的NEN可以在此大显身手了。

NEN从轨道卫星接收传输数据,如全球降水测量卫星 ( GPM )、月球勘测轨道飞行器 ( LRO )、地球同步运行环境卫星 (GOES ) 等。安置在世界各地经度和纬度上的许多大型天线与航天器上较小的机载天线进行联络,地面站接收到相关信息,被分送到全球相关部门和单位,科学家和工程师可以根据这些信息进行重要的科学研究、评估卫星的运行情况等。

“只有当航天器出现在轨道上某个点的时候,天线才可以‘看’到它,”NEN项目的工程师瑞安·特纳说,“这就好比你和我只有在看到对方的时候,才能互相交谈,但如果你走过拐角,我们就无法再继续谈话了。”

一项艰巨的工作

在过去一年里,NEN接收来自航天器的信息多达54000次,从开始建立NEN地面网络以来,从太空中接收到的信息量比50多年前的阿波罗时代有了飞跃性的提高。

地面站接收存储在航天器硬盘上的数据,然后通过通信系统,分布到世界各地那些需要这些数据的科学家和研究人员手中。

操作NEN的工程师日常负责安排航天器和地面站之间的联络,在航天器通过地面站上空时,安排双方连接,进行信息传递。这是一项艰巨的工作,涉及到地球轨道上40多家NEN的航天器客户,这些客户分布在地球上方140公里至3.5万公里高度的范围内,有的甚至在绕月球轨道上。NEN团队必须确保没有两个航天器同时与天线联络,因为那会导致系统不堪重负。

如果航天器在经过地面站上空时错过了传递信息的机会,NEN团队必须重新安排,通知该地区的另一个地面站,确保在航天器经过时,待命天线已做好接收新数据的准备。有时在不可能改变接收位置的情况下,航天器只能将这些数据暂时保存好,等待下一次经过时再进行数据传递。在过去一年里,NEN接收来自航天器的信息多达54000次,从开始建立NEN地面网络以来,从太空中接收到的信息量比50多年前的阿波罗时代有了飞跃性的提高。

越来越宽的网

正在研发的新功能将增加带宽,以满足越来越多航天器发射升空而增长的数据接收需求。

NASA目前正在不断扩建NEN地面站网络,为未来的航天器提供更出色的通信服务。

如今,要跟上现代通讯技术迅猛发展的步伐,NEN的工程师和运营商将面临更大的挑战。随着越来越多的航天器发射进入太空,信息接收的负荷也在加大,NEN必须与时俱进,适应日益增加的需求。

“在执行某个新的发射任务之前,必须确定该航天器的飞行轨道,然后我们就可以做出决定,通过地面网络上的哪个接收站传输信息最为有效。”特纳说,“我们还必须确定,某个任务需要多少地面支持,我们是否有相应的地面接收能力。”

最近在阿拉斯加安装的新天线,以及南半球安装多个天线的计划,可加强NEN的信息接收能力。研究团队正在研发的新功能也将增加带宽,以满足越来越多航天器发射升空而增长的数据接收需求。

“所有客户都想要更多的带宽,通过新增加的功能,我们可以在更短的时间内接收到更多的数据信息。”NEN的项目经理大卫·卡特说,“这必定能大大提高我们的效率。”

随着传输能力呈指数级增加,NEN团队还将面临一个新的挑战。利用激光以光学方式将数据从客户的航天器传送到NEN的数据接收网,这需要极大地扩展接收设备的带宽。卡特说,这将是卫星通信下一步的努力目标,他和他的团队已准备好接受这一挑战。

NEN的信息接收网络现在已分布在世界很多国家。其中有美国宇航局直属的站点,也有南非航天局、瑞典航空公司、美国SSC航天公司、美国海洋和大气管理局等机构的商业站点。

NASA的太空通讯和导航计划负责美国宇航局所有的太空通信活动。正在不断扩建的NEN地面站网络,将为未来的航天器提供更出色的通信服务。未来的用户将包括美国宇航局最新的超重太空发射系统 (SLS),以及将宇航员送入太空深处开始火星之旅的“猎户座”飞船等。


(作者:方陵生 编译)
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