A P&D de ponta da FAST Labs leva as ideias ao campo mais rapidamente

Como os artigos anteriores desta série notaram, o JWST está estacionado no ponto L2 de Lagrange. É um ponto de equilíbrio gravitacional localizado a cerca de 1,5 milhão de quilômetros além da Terra em uma linha reta entre o planeta e o sol. É um local ideal para o JWST observar o universo sem obstrução e com ajustes orbitais mínimos.

Estar tão longe da Terra, no entanto, significa que os dados precisam viajar mais longe para voltar inteiros. Isso também significa que o subsistema de comunicações precisa ser confiável, porque a perspectiva de uma missão de reparo ser enviada para resolver um problema é, pelo menos a curto prazo, altamente improvável. Dado o custo e o tempo envolvidos, diz Michael Menzel, engenheiro de sistemas de missão do JWST, “eu não encorajaria uma missão de encontro e manutenção a menos que algo desse muito errado”.

De acordo com Menzel, que trabalhou no JWST de alguma forma por mais de 20 anos, o plano sempre foi usar o bem conhecido K
_umafrequências de banda larga para transmissões volumosas de dados científicos. Especificamente, o JWST está transmitindo dados de volta à Terra em um canal de 25,9 gigahertz a até 28 megabits por segundo. O K_uma-band é uma porção da banda K mais ampla (outra porção, a banda Ku, também foi considerada).

Os pontos de Lagrange são locais de equilíbrio onde os rebocadores gravitacionais concorrentes em um objeto chegam a zero. JWST é uma das três naves atualmente ocupando L2 (Mostrado aqui a uma distância exagerada da Terra). Espectro IEEE

Tanto a coleta de dados quanto as taxas de transmissão do JWST superam as do antigo Telescópio Espacial Hubble. Comparado ao Hubble, que ainda está ativo e gera de 1 a 2 gigabytes de dados diariamente, o JWST pode produzir até 57 GB por dia (embora essa quantidade dependa de quais observações estão programadas).

Menzel diz que viu pela primeira vez as propostas de seleção de frequência para o JWST por volta de 2000, quando trabalhava na Northrop Grumman. Ele se tornou o engenheiro de sistemas de missão em 2004. “Eu sabia onde estavam os riscos nesta missão. E eu queria ter certeza de que não tivéssemos novos riscos”, diz ele.

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Além disso, K.
_umafrequências de banda larga podem transmitir mais dados do que a banda X (7 a 11,2 GHz) ou a banda S (2 a 4 GHz), escolhas comuns para naves no espaço profundo. Uma alta taxa de dados é uma necessidade para o trabalho científico que o JWST estará realizando. Além disso, de acordo com Carl Hansen, engenheiro de sistemas de voo do Space Telescope Science Institute (o centro de operações científicas do JWST), uma antena de banda X comparável seria tão grande que a espaçonave teria problemas para permanecer estável para imagens.

Embora o K de 25,9 GHz
_umafreqüência de banda é o canal de comunicação do telescópio, ele também emprega dois canais na banda S. Um deles é o uplink de 2,09 GHz que transporta futuras transmissões e horários de observação científica para o telescópio a 16 kilobits por segundo. O outro é o downlink de 2,27 GHz, 40 kb/s através do qual o telescópio transmite dados de engenharia – incluindo seu status operacional, integridade do sistema e outras informações relacionadas às atividades diárias do telescópio.

Quaisquer dados científicos que o JWST coletar durante sua vida útil precisarão ser armazenados a bordo, porque a espaçonave não mantém contato 24 horas por dia com a Terra. Os dados coletados de seus instrumentos científicos, uma vez coletados, são armazenados na unidade de estado sólido de 68 GB da espaçonave (3% são reservados para dados de engenharia e telemetria). Alex Hunter, também engenheiro de sistemas de voo do Space Telescope Science Institute, diz que até o final da vida da missão de 10 anos do JWST, eles esperam cair para cerca de 60 GB por causa da radiação do espaço profundo e desgaste.

O armazenamento a bordo é suficiente para coletar dados por cerca de 24 horas antes de ficar sem espaço. Bem antes que isso se torne um problema, o JWST terá oportunidades programadas para transmitir esses dados inestimáveis ​​para a Terra.

O JWST permanecerá conectado através da Deep Space Network (DSN) – um recurso que compartilha com a Parker Solar Probe, o Transiting Exoplanet Survey Satellite, as sondas Voyager e todo o conjunto de rovers e orbitadores de Marte, para citar apenas alguns dos outros pesos pesados. O DSN consiste em três complexos de antenas: Canberra, Austrália; Madri, Espanha; e Barstow, Califórnia. O JWST precisa compartilhar o tempo finito da antena com muitas outras missões no espaço profundo, cada uma com necessidades e horários de comunicação exclusivos.

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Sandy Kwan, engenheira de sistemas da DSN, diz que as janelas de contato com a espaçonave são programadas com 12 a 20 semanas de antecedência. O JWST teve um número maior de janelas de contato programadas durante sua fase de comissionamento, pois os instrumentos foram colocados em linha, verificados e calibrados. A maior parte desse processo exigia comunicação em tempo real com a Terra.

Todos os canais de comunicação usam o protocolo de correção de erros Reed-Solomon—o mesmo padrão de correção de erros usado em DVDs e discos Blu-ray, bem como códigos QR. Os canais de banda S de taxa de dados mais baixa usam modulação de chave de mudança de fase binária – envolvendo mudança de fase da onda portadora de um sinal. O canal de banda K, no entanto, usa uma modulação de chave de mudança de fase em quadratura. A chaveamento de mudança de fase em quadratura pode dobrar a taxa de dados de um canal, ao custo de transmissores e receptores mais complicados.

As comunicações do JWST com a Terra incorporam um protocolo de confirmação – somente depois que o JWST obtiver a confirmação de que um arquivo foi recebido com sucesso, ele prosseguirá e excluirá sua cópia dos dados para liberar espaço.

O subsistema de comunicações foi montado junto com o resto do ônibus espacial pela Northrop Grumman, usando componentes de prateleira provenientes de vários fabricantes.

O JWST teve um desenvolvimento longo e muitas vezes atrasado, mas seu sistema de comunicação sempre foi a base para o restante do projeto. Manter pelo menos um sistema confiável significa que é uma coisa a menos para se preocupar. Menzel pode se lembrar, por exemplo, de ideias para sistemas ópticos baseados em laser que foram invariavelmente rejeitadas. “Posso contar pelo menos duas vezes em que fui abordado por pessoas que queriam experimentar comunicações ópticas”, diz Menzel. “Cada vez que eles vinham até mim, eu os mandava embora com o velho ‘Obrigado, mas não preciso disso. E eu não quero isso.’”