拯救STEREO-B,一條3億公里的復興之路

拯救STEREO-B,一條3億公里的復興之路

2014年10月1日,美國宇航局與“日地關係天文臺”(Solar and Terrestrial Relations Observatory,STEREO)的兩艘航天器中的一艘失去了聯絡,當時該航天器正要繞太陽的另一側執行。雖然他們已經有一年多沒有收到後面的STEREO-B衛星的訊息,但該衛星終於進入了一個可以再次接收無線電訊號的區域。科學家們有一個計劃要把它找回來,而且隨著時間的推移,他們的機會只會越來越大。

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兩艘飛船的設計壽命為兩年,預計2008年結束。不過,就像美國宇航局的許多航天器一樣,它們持續的時間要長得多。這兩個STEREO已經服役9年,它們的長壽對於研究太陽及其對整個太陽系的影響的科學家來說是一件好事。當這兩個STEREO圍繞太陽運轉時,一個在地球的前面,一個在地球的後面,它們慢慢地從地球上漂移開,使科學家們不斷地改善對太陽遠端的觀測,使我們第一次一次看到了整個太陽。

然而,要將航天器的使用壽命延長到原來的四倍以上,總是會遇到一些挑戰。就STEREO而言,它的軌道是最大的障礙。兩艘STEREO飛船的緩慢漂移讓我們對太陽有了廣泛的不同看法,這意味著兩艘飛船最終都位於太陽與地球的另一邊,導致了長達三個月的時間裡,由於太陽的干擾,通訊無法進行。

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太陽幾乎每一種波長都異常強烈,這使它成為天空中最大的噪聲源。大多數深空任務只需要處理一天左右的太陽干擾,但對於每一艘STEREO飛船來說,這段時間持續了將近4個月。

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STEREO設計了一個指令丟失定時器,一個自動復位按鈕,在72小時沒有聯絡的情況下重新啟動飛船。此重置旨在糾正任何可能妨礙通訊的問題。指令丟失定時器不能改變這意味著在太陽另一邊的階段,兩艘飛船將在連續三個多月中每三天重新啟動一次。

在測試復位的過程中,工程師故意讓STEREO-B的通訊中斷了三天,而在STEREO - A的測試已經取得成功時,通訊中斷了。

72小時20分鐘後,操作人員停止了與飛船的通訊。在復位後,STEREO-B應該重新啟動電源,識別特定的恆星,以便將天線對準地球,併發送狀態報告。

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起初,一切都很順利。復位幾秒鐘後,地面收到STEREO- B的訊號,但比他們預期的要弱得多,訊號很快就消失了。那是他們最後一次聽到STEREO-B。

接收到的訊號微弱、短暫,以至於團隊只能提取幾個資料包來形成部分狀態報告。從這些少量的資訊中,STEREO團隊能夠推斷出最可能的情況,即後面的和控制計算機沿著以及它在做什麼。

遙測顯示慣性測量裝置(IMU),它告訴飛船是否在旋轉,旋轉有多快,但它以一種人們沒有預料到的方式失敗了。它不是完全切斷電源,而是向制導和控制計算機輸入錯誤的資訊。

STEREO團隊認為,這些錯誤的資訊導致制導和控制計算機沿著一條路徑執行,最終導致飛船旋轉,太陽能電池板大部分時間處於黑暗狀態,電池只能間歇充電。

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如果STEREO- B保持聯絡,那麼STEREO團隊就可以解決這種問題。雖然不容易,但只需指示STEREO-B的計算機忽略來自特定IMU的資訊即可。然而,在該小組糾正錯誤之前,就切斷了與STEREO-B的聯絡。這意味著STEREO-B在太空中漂移時,其運動方式的資訊不正確。

此外,距離意味著任何有希望到達STEREO-B的訊號都必須比我們向近地任務傳送的訊號強得多。工程師們有一個計劃,透過一種叫做建設性干擾的方法來增加發送給STEREO-B的訊號的功率。透過將深空網路中多個站點的訊號與特定的時間和配置相結合,形成無線電訊號的波會完美地碰撞,從而產生更強的訊號。

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建設性的干擾會產生一種新的訊號,這種訊號比它的各個部分之和還要強大。他們正在把3個34米天線的訊號組合起來,這將給專案組一個比70米天線強兩倍的訊號。

因為STEREO-B離地球非常遠,它傳回給我們的任何訊號都可能太弱,深空網路無法破解。因此,世界上幾個強大的射電望遠鏡,包括格林班克射電望遠鏡、阿雷西博天文臺和艾倫望遠鏡陣列,都將監聽STEREO-B的傳輸。

STEREO-B的復甦將充滿挑戰,但隨著時間的推移只會變得更加容易。2019年,飛船將離太陽足夠遠,專案組可以直接用哈勃望遠鏡拍攝到它的影象,並計算出它的自轉速度。

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