تلسکوپ فضایی جیمز وب چگونه تصاویر خود را به زمین می‌فرستد؟

تلسکوپ فضایی جیمز وب به تازگی ماموریت علمی خود را با حداکثر توان رصدخانه آغاز کرده است و داده‌های حیرت‌انگیز و ناآشنایی به زمین مخابره می‌کند. قدرتمندترین تلسکوپ فضایی دنیا این کار را با آنتن‌های تعبیه شده در اتوبوس فضایی جیمز وب انجام می‌دهد و به شبکه فضایی ناسا متصل می‌شود. حالا ما این بار به سراغ سیستم کنترل و مخابره جیمز وب رفتیم تا نگاهی دقیق‌تر به این شاهکار مهندسی دنیا داشته باشیم.

تلسکوپ فضایی جیمز وب اولین ماموریت ناسا است که در نقطه لاگرانژی دوم (L2) قرار می‌گیرد و نیاز دارد تا داده‌های خود را با نرخ انتقال بیشتر از ۱.۲۵ مگابایت بر ثانیه به زمین مخابره کند. این تلسکوپ در هر روز تقریبا ۲۹.۴ گیگابایت داده علمی برای ما می‌فرستد که با شبکه فضایی عمیق (DSN - Deep Space Network) ناسا دریافت می‌شود.

برای اینکه این حجم از داده‌ها را با چنین نرخی انتقال دهند، ناسا باید زیرساخت خود در شبکه فضایی عمیق را به روز رسانی می‌کرد. مهندسان ناسا برای انتقال داده‌ها با نرخی بیشتر از ۱۰ گیگابایت بر ثانیه باید طول موج مخابراتی این شبکه را از باند ایکس به باند کا به روز می‌کردند.

سال‌هاست که موسسه مهندسان برق و الکترونیک نامی بخش‌های مشخص شده‌ای از امواج مایکروویو یا باندهای متفاوت انتخاب کرده است. هر کدام از این باندها دامنه فرکانسی خاص خود را دارد. باند اس (S-band) فرکانس ۲ تا ۴ گیگاهرتز، باند ایکس (X-band) فرکانس ۸ تا ۱۲ گیگاهرتز و باند کا (Ka-band) فرکانس ۲۷ تا ۴۰ گیگاهرتز را پوشش می‌دهد. حالا ناسا با این کار فرکانس و استانداردی جدید برای برقراری ارتباط با ماهواره‌های مدار L2 دارد.

شبکه فضایی عمیق

ناسا با شبکه فضایی عمیق خود می‌تواند با ماهواره‌های خود در اعماق فضا، حتی ورای منظومه شمسی، ارتباط بگیرد. این شبکه بزرگترین و حساس‌ترین سیستم ارتباط از راه دور علمی در دنیا است. شبکه فضایی عمیق در واقع آرایه‌ای بین‌المللی تحت نظر ناسا است که با آنتن‌های بسیار بزرگ زمینی کار می‌کند و می‌تواند با ماموریت‌های ناسا ارتباط برقرار کند.

این شبکه می‌تواند رصدهای رادیویی نجومی انجام دهد و دانش ما از منظومه شمسی را افزایش دهد. این سیستم، درست مثل سایر فعالیت‌های مهندسی ناسا، در آزمایشگاه پیشرانه جت ناسا توسعه یافته است و تا ماموریت‌های بین‌سیاره‌ای خود ارتباط بگیرد.

این شبکه سه تاسیسات در کشورهای استرالیا، اسپانیا و ایالات متحده  دارد که اختلاف طول جغرافیایی آن‌ها از هم ۱۲۰ درجه است. موقعیت دقیق این سه تاسیسات از هم به ناسا اجازه می‌دهد تا همیشه با تمام ماهواره‌های خود در ارتباط باشد؛ به طوری که وقتی ماهواره‌ای از دید یک آرایه غروب کرد، برای آرایه دیگری در آن سوی زمین طلوع کرده باشد تا در لحظه بتواند سیگنال آن را دریافت کند.

زیرسیستم مخابراتی تلسکوپ فضایی جیمز وب

سیستمی که تلسکوپ فضایی جیمز وب برای مخابره اطلاعات خود استفاده می‌کند، زیرسیستم مخابراتی تلسکوپ فضایی جیمز وب (JWST Communications Subsystem) نام دارد. این سیستم می‌تواند با شبکه عمیق فضایی ناسا ارتباط دوطرفه برقرار کند.

این سیستم در واقع بخشی از اتوبوس فضایی تلسکوپ فضایی جیمز وب محسوب می‌شود و با دو روش می‌تواند داده‌هایی از وب به مرکز ارتباطات ماموریت بفرستد و اطلاعاتی از آنجا دریافت کند. این سیستم حین انجام فازهای عملیاتی مثل کالیبره کردن ابزار علمی جیمز وب و فعالیت‌های آزمایشی کار می‌کند؛ با تقریب خوبی می‌توان گفت همیشه!

زیرسیستم مخابراتی جیمز وب در باند اس و کا فعالیت‌های خود را انجام می‌دهد. این تلسکوپ در فرکانس‌های باند اس داده‌هایی را دان‌لینک و آپ‌لینک می‌کند که به سرعت بالایی احتیاج ندارد و همانطور که گفتیم، در باند کا فعالیت‌هایی نیازمند نرخ انتقال بیشتر را پوشش می‌دهد.

تمام این فعالیت‌ها با شبکه عمیق فضایی ناسا در استرالیا، اسپانیا و ایالات متحده انجام می‌شود. با اینکه جیمز وب روزانه چنین حجمی از داده را مخابره می‌کند، اما فضای ذخیره آن حداقل ۶۵ گیگابایت است. جیمز وب ارتباطات خود را با آنتن آن‌بورد (Onboard antennas) و آنتن های-گین (High-gain antenna) انجام می‌دهد.

آنتن آن‌بورد

تلسکوپ فضایی جیمز وب یک آنتن ۶۰ سانتی‌متری های-گین در باند کا به همراه آنتن ۲۰ سانتی‌متری مدیوم-گین (Medium-gain) در باند اس دارد. هر دوی این آنتن‌ها روی سطحی سوار (Onboard) شده‌اند که به پلتفرم های-گین (HGA platform) شناخته می‌شود.

فرقی نمی‌کند که جیمز وب در چه حالتی قرار گرفته باشد، این پلتفرم می‌تواند روی هر موقعیتی روی زمین تنظیم شود و داده‌ها را مخابره کند. آنتن مدیوم-گین وب می‌تواند با سرعت۴۰ کیلوبایت بر ثانیه ارتباط از راه دور لحظه‌ای با مرکز ماموریت برقرار کند که با هر پایگاه زمینی قابل دریافت است.

وب می‌تواند همزمان با باند اس و کا با زمین ارتباط بگیرد و هر نوع دستور یا ماموریتی را دریافت کند. آنتن های-گین در باند کا سه سرعت قابل تنظیم ۰.۸۷۵، ۱.۷۵ و ۳.۵ مگابایت بر ثانیه دارد.

آنتن های-گین

ارتباطات روزانه وب مثل مخابره داده‌های علمی حین انجام ماموریت‌های علمی و حرکت رصدخانه در فضا صورت می‌گیرد. وقتی از نقطه لاگرانژی دوم به زمین نگاه کنیم، طول موج باند کا دقیقا هم عرض با اندازه زاویه‌ای زمین خواهد بود. به همین خاطر، جهت آنتن های-گین وب باید همیشه کالیبره شود تا زمین را نشانه بگیرد.

از آنجایی که حرکت این آنتن اختلالی در بدنه رصدخانه ایجاد می‌کند، همخطی آنتن های-گین در زمان انجام ماموریت‌های علمی و دریافت داده‌ها انجام نمی‌شود. به علاوه، به خاطر حرکت جیمز وب در مدار خود، این آنتن باید هر ده هزار ثانیه یکبار - تقریبا هر سه ساعت - همخط شود. بنابراین، همیشه محدودیتی بر حداکثر زمان دریافت داده‌ها در هر عملیات علمی وجود دارد.

البته این سیستم می‌تواند برای رصدهای خاصی خاموش شود تا داده‌ها بدون وقفه دریافت شوند؛ اما فاصله کوتاهی برای همخط کردن این آنتن با زمین در بین یک عملیات علمی طولانی، خطای زیادی ایجاد نمی‌کند.