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Call of Euclid: Laden Sie das Universum herunter

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Call of Euclid: Laden Sie das Universum herunter
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19.07.2023
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Zusamenfassend

Euclid, die neue Wissenschaftsmission der ESA, wird bald damit beginnen, das schwache Licht des frühen Universums einzufangen, um die Geheimnisse der Dunklen Materie und Dunklen Energie aufzudecken. Die Instrumente der Raumsonde werden das Licht einfangen, das seit 10 Milliarden Jahren unterwegs ist, und müssen dann eine beispiellose Datenmenge zurück zur Erde übertragen – 100 GB pro Tag für sechs Jahre. Es hat viel Zeit, Mühe und Einfallsreichtum gekostet, aber das „Bodensegment“ der ESA ist bereit, das Universum herunterzuladen.

Ausführlich

So wie eine einzelne Hand nicht klatschen kann, kann eine Mission im Weltraum nicht ohne eine komplexe Kombination aus physischer Infrastruktur und Datensystemen auf der Erde gehört werden. für die Überwachung und Steuerung von Raumfahrzeugen, Datenmanagement, Bodenstationen und Telekommunikationsnetze.

Euklid auf dem Weg nach L2

Der Umfang und die Komplexität der Euclid-Mission werden hohe Anforderungen an die Bodenoperationen der ESA stellen, und die Agentur bereitet sich darauf vor.

„Durch jahrelange technologische Fortschritte, Standardisierungsbemühungen und die operative Einführung innovativer technischer Lösungen haben wir die Herausforderungen des Bodensegments dieser außergewöhnlichen Mission erfolgreich gemeistert“, sagte Mariella Spada, Leiterin für Bodensystemtechnik und Innovation bei der ESA.

Erstellen Sie einen Kanal für Euklid-Wissenschaftsdaten

Jede wissenschaftliche Mission hat ihre eigenen, einzigartigen Einschränkungen und Anforderungen, die davon abhängen, was sie im Laufe ihres Lebens erreichen möchte. Im Fall von Euclid soll damit die größte und genaueste 3D-Karte des Universums erstellt werden. Die Instrumente von Euclid sammeln ultrascharfe Bilder, um schwache Verzerrungen in der Form sehr weit entfernter Galaxien zu identifizieren.

Der Wert dieser Bilder liegt in ihrer Präzision und unglaublichen Detailgenauigkeit. Dies erhöht die Größe der Bilddatei auf Gigabyte und führt zur größten Herausforderung für das Bodensegment der Mission: Täglich bis zu 100 GB große Downlink-Dateien während eines begrenzten Zeitfensters von vier Stunden zu erhalten.

Das ist etwa das Doppelte der täglichen Datenmenge, die Weltraumteleskope wie James Webb und Gaia aus derselben Umlaufbahn am Lagrange Point 2, 1,5 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, übertragen. Zusammen mit Euclids kürzeren „Pässen“ – Gesprächszeiten – mit ESA-Bodenstationen hat dies dazu geführt, dass Euclids Bodensegment besonders effizient geworden ist, um den Wissenschaftsteams einen so großen Euclid-Fluss auf der Erde und darüber hinaus zu ermöglichen.

Modernisierung der Weltraumantennen Cebreros und Malargüe

ESA-Verfolgungsstation Malargüe

Der erste Schritt bestand darin, eine hohe Downlink-Rate von bis zu 75 Megabit pro Sekunde zwischen den Bodenstationen von Euclid und Estrack aufrechtzuerhalten, um alle Daten bequem und effizient in vier Stunden herunterzuladen.

Wenn Euclid Daten auf die gleiche Weise übertragen würde wie die Gaia-Mission der ESA, die ebenfalls auf „L2“ umkreist, würde sie die Bodenstationen hoffnungslos verstopfen, da sie doppelt so viele Daten sendet.

Um so viele Daten in so kurzer Zeit übertragen zu können, mussten zwei der 35-m-Antennen der ESA vorhanden sein auf verschiedene Weise aufgewertet. Erstens wird Euclid die erste wissenschaftliche Mission der ESA zum zweiten Lagrange-Punkt sein, die das höherfrequente „K-Band“ (26 GHz) nutzt, was eine höhere Datenrate ermöglicht.

„Zwischen dem Kontrollzentrum in Deutschland und den Bodenstationen in Spanien und Argentinien wurden schnellere Kommunikationsleitungen installiert. Und das ist erst der Anfang der Liste“, sagt Åge-Raymond Riise, Stationskoordinator für Euclid.

Kryogekühlte Antennenspeisungs-Upgrade für ESA-Weltraumantennen

„Wir haben in jeder Station vier neue kryogen gekühlte ‚Low-Noise-Verstärker‘, um Signale aus dem Weltraum zu empfangen.“

Durch die Kühlung der „Antenneneinspeisung“ auf nur 10 Grad über der tiefstmöglichen Temperatur im Universum erhöht sich die Datenmenge, die von Raumfahrzeugen übertragen werden kann, um bis zu 40 %.

Außerdem wurden neue „Dateiübertragungsprotokolle“ implementiert, eine neue Generation von Bodenstationsmodems verwendet und mobile Spiegel gebaut, um das Signal von Euclid an die neue Ausrüstung weiterzuleiten.

Und das ist nicht alles. Diese 26-GHz-Frequenz kommt großen Datenmengen zugute, allerdings ist die Verbindung selbst weniger stabil, da sie durch den Einfluss von Wasser in der Atmosphäre an Festigkeit verlieren kann, was zu Datenverlusten führen kann. Es wurden weitere technische Maßnahmen zum Schutz vor einem solchen Datenverlust ergriffen, wovon nicht nur Euclid, sondern auch andere ESA-Missionen, die ebenfalls hohe Frequenzen nutzen, profitieren.

Blackbox zu Bodenstationen hinzugefügt

Beim Empfang einer Übertragung an einer Bodenstation werden die Nutzdaten aus „Paketen“ extrahiert, die als eine Art Umschlag mit Anweisungen fungieren. Unkomprimierte, unverschlüsselte Daten machen nur etwa die Hälfte der von Euclid gesendeten Daten aus. Diese werden dann an die Missionskontrolle im Europäischen Raumflugkontrollzentrum der ESA gesendet (ESOC), in Darmstadt, Deutschland, über eine speziell für diesen Zweck eingerichtete private und sichere Verbindung.

Normalerweise wird die Überprüfung der Datenvollständigkeit im Missionskontrollzentrum durchgeführt, gefolgt von der Übermittlung eines Befehls an das Raumschiff, die Daten bei Bedarf erneut zu übertragen.

ESA-Hauptkontrollraum, Darmstadt

„In diesem Fall ist die Verbindung zwischen Euclid selbst und den Bodenstationen in Cebreros oder Malargüe viel schneller als die Verbindung zwischen den Bodenstationen und der Missionskontrolle am ESOC“, erklärt Arek Kowalczyk, verantwortlich für die Datensysteme von Euclid.

„Wir können es uns nicht leisten, zu warten, bis alle Daten das Missionskontrollsystem erreicht haben, um zu überprüfen, ob ein Teil fehlt. Stattdessen haben wir eine Software entwickelt, die auf einer speziellen Euclid-Maschine an der Bodenstation läuft. Es konsolidiert die Teile einer Datendatei und übermittelt lediglich die Anweisungen für die fehlenden Daten an das Missionskontrollsystem im ESOC, von wo aus die Übertragung der fehlenden Teile an den Boden beantragt werden kann. Erst wenn die Datei vollständig ist, wird sie an ESOC übertragen.

Diese automatisierte Lösung vermeidet Datenverluste und ermöglicht die automatische Durchführung erforderlicher Neuübertragungen.

Ziehen Sie Dateien per Drag-and-Drop in den Bereich

Wie könnten Missionen in Zukunft durchgeführt werden?

Die großen Bilder von Euclid inspirierten ein neues integriertes Datenverarbeitungssystem, das jede Art von Datei verarbeiten kann und nicht nur die üblichen Datenpakete, die strenge Anforderungen an die Datenformatierung stellen.

Fluglotsen verfügen jetzt über eine viel intuitivere grafische Benutzeroberfläche, die die Komplexität reduziert und sowohl das Risiko menschlicher Fehler als auch den Schulungsaufwand verringert. Es ermöglicht Betreibern sogar, Dateien zum Hoch- oder Herunterladen von Euclid per Drag-and-Drop in den Weltraum zu ziehen.

Am wichtigsten ist vielleicht, dass Wissenschaftler ihre Daten nicht auf eine bestimmte Weise formatieren müssen. Sie können ihre Instrumente das Dateiformat erstellen lassen, das für sie am besten geeignet ist, und sie erhalten ihre Dateien genau so, wie sie es möchten.

Folgen Sie Euklid

Start von Euklid

Der Start von Euclid verlief reibungslos und der Go-Live geht weiter, aber für alle im Datenbetriebsteam steht die anspruchsvollste Zeit noch bevor.

Es wird eine gewaltige Aufgabe sein, mit Euclid Schritt zu halten und große Datenmengen in den engen Zeitfenstern beim Passieren von Bodenstationen zu verarbeiten, aber es ist eine Aufgabe, für die sie mehr als bereit sind.

„Wir sind jetzt vollständig bereit, Euklids ‚Universum‘ herunterzuladen“, sagt Mariella Spada. „Es ist das Ergebnis der harten Arbeit und des Einfallsreichtums des Teams sowie vieler Kollegen von der ESA und darüber hinaus, die zu diesem Erfolg beigetragen haben.“

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