美国宇航局官员对深空网络的未来发出警告
“我不确定谁认为与阿尔忒弥斯一号一起发射立方体卫星是个好主意。"

美国宇航局官员周二对该机构的深空网络发出警报,这是加利福尼亚州,西班牙和澳大利亚的天线集合,用于与分散在太阳系的任务保持联系。
从美国宇航局的阿尔忒弥斯任务到月球,再到星际空间的旅行者探测器,一切都依靠深空网络(DSN)来接收命令并将数据传输回地球。苏珊娜·多德(Suzanne Dodd)在美国宇航局喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)负责监督DSN,她喜欢通过展示詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope)和毅力号火星车(Perseverance Rover)等任务的华丽图像来强调该网络的重要性。
“所有这些图像,所有这些公众的视觉效果,以及科学家的所有科学都是通过深空网络下来的,”多德周二在美国宇航局咨询委员会科学委员会的一次会议上说。
DSN在深嘘!#
但多德并没有对运营深空网络的挑战持乐观态度。她说,目前大约有40个任务依靠DSN的天线与地球上的控制者和科学家保持通信。另外40多个特派团将在未来十年左右加入名册,目前在网络上使用时间的40个特派团中,许多特派团可能仍在这段时间内运作。
“我们的任务比我们目前飞行的任务要多,”多德说。“我们将DSN的负载几乎翻了一番。其中很多是月球探索或阿尔忒弥斯任务,以及许多与商业供应商合作的阿尔忒弥斯前身任务。所以负荷在增加,这给我们带来了很大的压力。
“它被超额认购,但它对该机构想要做的任何事情都至关重要,”她说。
互联网先驱、现任谷歌高管的温特·瑟夫(Vint Cerf)是多德周二会见的委员会成员。在听取了多德和其他NASA经理的意见后,瑟夫说:“深空通信系统处于深海状态 - 好吧,让我用一个更好的词,赤字。我也想到了一个四个字母的词。

由于涉及宇航员,阿尔忒弥斯任务将对DSN提出独特的要求。
“我们不会有数据。我们将拥有千兆位的数据,“JPL网络服务部门代理主任Philip Baldwin说。“我不想要1080p的视频分辨率。我想要 8K 视频。
深空网络上的三个站中的每一个都有一个70米(230英尺)的碟形天线,这是世界上最大的深空通信天线。每个位置还至少有三个 112 英尺(34 米)的天线。加利福尼亚州最古老的大型天线于1966年投入使用,并于 1988 年扩大到 70 米直径。
“我们已经达到了DSN老化基础设施的一个非常关键的点,”美国宇航局天体物理学部副主任桑德拉考夫曼说。
阿尔忒弥斯一号案例研究
多德提供了去年年底的一些数字来强调这个问题。在阿尔忒弥斯一号任务期间,美国宇航局的猎户座宇宙飞船花了大约25天的时间从地球到月球周围的遥远轨道,然后返回太平洋的溅落。在阿尔忒弥斯一号期间,深空网络的天线总共花费了903个小时跟踪猎户座飞船并与之通信。
但这个故事还有更多。有10个小型拼车辅助有效载荷在Artemis I上的太空发射系统火箭上飞入深空。这些立方体卫星的大小从鞋盒到公文包不等,具有小型天线和低功率发射器,需要在地球上使用大型天线才能建立可靠的连接。
根据多德的说法,其中八颗立方体卫星被DSN跟踪。“他们得到了871小时的跟踪,几乎与八个小立方体卫星的Artemis一样多,”她说。
“我不确定谁认为与Artemis I一起放置(这么多)立方体卫星是个好主意,”多德说。

由于资源有限,天线数量有限,深空网络不得不放弃NASA的其他科学任务,专注于猎户座飞船和与之一起飞行的立方体卫星。
“损失最大的任务包括詹姆斯韦伯,你的旗舰任务,他们放弃了184小时来支持Artemis和CubeSats,”多德说。DSN还推迟了Artemis I期间超过500小时的计划维护时间。
这意味着价值100亿美元的詹姆斯韦伯太空望远镜可能丢失或延迟的科学成果。在Artemis I期间放弃DSN时间超过100小时的其他任务包括火星勘测轨道飞行器,火星奥德赛任务和欧洲的火星快车。
“当Artemis上线时,其他人都让开了,这对所有科学任务,甚至是旗舰科学任务都有影响,”多德说。
像CubeSats这样的小型卫星在低地球轨道上很常见,提供商业遥感和数据中继服务,并为研究人员提供了以比乘坐大型航天器低得多的成本进行实验的机会。美国宇航局希望在深空探索中更多地使用立方体卫星,以执行月球,火星和小行星的任务。
多德说,是什么让立方体卫星对NASA和研究科学家有吸引力,是使它们对深空网络没有吸引力的原因。
“他们很快,他们没有经过充分测试。他们使用小天线,“她说。“当他们遇到麻烦时,他们需要一个非常大的天线来找到他们......你希望这些立方体卫星(在DSN上)花费与James Webb一样多的时间吗?”
Artemis上的大多数拼车有效载荷在SLS火箭上部署后都遇到了麻烦,有些在发射后从未收到过消息。这需要DSN天线上的时间来尝试定位和恢复与立方体卫星的通信。该网络最大的天线通常用于与遇到紧急情况的航天器进行通信。
“当你的DSN被超额订阅时,我认为将一次性任务放在同一组天线上不是一个好的用途。扔掉可能不礼貌...他们有一席之地。但在我看来,他们的位置实际上不在DSN上,至少在这些数字上没有。由于设计的原因,这些任务中有一半可能在发射出擂台之前就已经死亡。

“立方体卫星经常被宣传为我们未来所有科学的灵丹妙药,”Ball Aerospace的顾问萨拉·塔克(Sara Tucker)说,他是周二听取美国宇航局官员意见的委员会成员。“它们很便宜。它们很容易。我们可以把它们扔掉。如果它们不起作用,我们只会吐得更多。但它显然在这里带来了不可忽视的负担。
美国宇航局尚未就下一个阿尔忒弥斯任务Artemis II是否会搭载任何立方体卫星做出最终决定。Artemis II将于2024年底或2025年发射,四名宇航员将在猎户座太空舱内绕月球背面飞行。美国宇航局计划在以后的阿尔忒弥斯任务中容纳立方体卫星。
本十年晚些时候,美国宇航局将呼吁DSN不仅支持猎户座载人航天器在阿尔忒弥斯任务中往返月球,而且还支持该机构计划在月球轨道上建造的Gateway迷你空间站。来自SpaceX和Blue Origin的商业载人月球着陆器,以及商用机器人着陆器,也将依靠DSN与地球连接。就在上周,DSN正在与印度的Chandrayaan 3着陆器进行通信,因为它下降到月球表面。
多德说,负责监督商业月球任务合同的NASA经理“真正承诺DSN资产,而不是问'装载对其他人有什么影响?'”
“我不知道这一切将如何一起玩,”多德说。“但现在,它看起来有点像一团糟。看看这张图表,展望2030年代,这真的让我们感到害怕。
正在做什么?
这不是美国宇航局官员第一次谈论深空网络面临的挑战,但周二与美国宇航局顾问的讨论再次紧迫地提出了这个问题。
“有十几项可以追溯到10年前的研究基本上说了同样的事情,因为DSN基础设施正在衰败,(并且)需要为继任计划提供资金,”多德说。“这些报告有效吗?我认为他们提出了这些问题,人们也承认了这些问题,但从我的立场来看,我们没有看到机构层面的行动。
美国宇航局监察长上个月发现,对DSN的需求有时超过供应量40%。能力的限制“已经影响了机构任务完全实现目标和实现全部投资回报的能力,”监察长在DSN的审计中写道。
“随着载人阿尔忒弥斯任务上线并优先于JWST和火星2020毅力号火星车等无人任务,任务将面临安排DSN时间的挑战,并且可能无法获得及时导航和数据传输所需的全部容量,”监察长写道。
该机构的内部监管机构表示,用更多的34米天线和更高功率的发射器升级三个DSN站点的项目比计划晚了五年,升级成本已增加到706.250亿美元。这笔费用需要很长时间才能偿还DSN的预算账户,该账户已从2010年的年度约200.<>亿美元下降到今天的约<>亿美元。
根据监察长的报告,美国宇航局最初计划在每个DSN站用一系列更新的70米天线替换34米天线,但该机构已决定保持老化的70米天线运行。
“当你在寻找基础设施时,很难说服任何人支持基础设施资金,而不是一个很酷的车辆去月球,”鲍德温说。
根据多德的说法,每年约45万美元的额外资金可以使DSN团队加强网络的基础设施,并雇用更多员工在所有三个站点提供24小时支持。她说,一些较旧的天线也可以重新投入使用,以满足不断增长的需求。
“如果我们想让DSN回到可靠的未来,我们需要从这些年的衰退中恢复过来,”多德说。她补充说,如果DSN在阿尔忒弥斯登月任务期间离线,宇航员可能会受到威胁。
在向NASA领导层提出这些建议后,“回来的人数为零,”多德说。“我认为我们绝对可以在机构内部使用一些倡导。

美国宇航局监察长建议该机构探索更有效的选择来安排深空网络的时间,例如维护一份可广泛访问的优先任务清单。
“在阿尔忒弥斯(任务)期间,简单的优先事项是阿尔忒弥斯,然后是詹姆斯韦伯,也许然后是立方体卫星,类似的东西,”多德说。“但你也必须考虑维护。DSN维护必须成为重中之重。
美国宇航局正处于规划全球专门用于月球任务的新通信站网络的早期阶段,这些通信站通常不需要DSN上最大的天线。美国宇航局监察长说,这些新天线要到2027年才能运行,并且不会解决深空网络面临的整个问题,深空网络仍将支持阿尔忒弥斯任务。
一个长期的解决方案可能是激光通信,它根本不使用DSN。美国宇航局将于10月与Psyche小行星任务一起发射激光通信包,以展示来自小行星带的远程光学数据传输。
该航天局还计划从公司计划在月球周围部署的商业卫星购买数据中继服务。这些中继卫星对于前往南极和月球背面的任务特别有用,在这些地方,直接到地球的数据链路被部分或完全封锁。
美国宇航局依靠商业地面站为该机构在低地球轨道上的卫星提供一半以上的地面站支持。美国宇航局去年选择了SpaceX,亚马逊,Viasat,Telecast,SES和Inmarsat开始开发商业能力,以取代政府拥有的跟踪和数据中继卫星网络,该网络用于与国际空间站和其他靠近地球的卫星进行近乎连续的连接。
但美国宇航局表示,除了DSN最大的天线之外,没有商业替代品。
“关于深空网络的一件事是它不像商业市场上存在的东西,”鲍德温说。“通常,业界能够做什么与DSN可以支持什么存在混淆。DSN所做的是非常独特的,并且(没有)与商业市场上的简单类比。

原文来自:https://arstechnica.com/space/2023/08/nasas-artemis-i-mission-nearly-broke-the-deep-space-network/
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