Cuộc gọi Euclid: tải xuống Vũ trụ

Giống như một mình không thể vỗ tay, một sứ mệnh trong không gian không thể thành công nếu không có sự kết hợp phức tạp giữa cơ sở hạ tầng vật chất và hệ thống dữ liệu trên Trái đất; để giám sát và điều khiển tàu vũ trụ, quản lý dữ liệu, trạm mặt đất và mạng viễn thông.

Quy mô và độ phức tạp của nhiệm vụ Euclid sẽ đặt ra yêu cầu cao đối với các hoạt động trên mặt đất của ESA và Cơ quan đã sẵn sàng.

Mariella Spada, Trưởng phòng Kỹ thuật và Đổi mới Hệ thống Mặt đất tại ESA cho biết: “Qua nhiều năm cải tiến công nghệ, nỗ lực tiêu chuẩn hóa và áp dụng các giải pháp kỹ thuật sáng tạo vào hoạt động, chúng tôi đã giải quyết thành công các thách thức đối với phân khúc mặt đất của sứ mệnh phi thường này.

Tạo đường dẫn cho dữ liệu khoa học của Euclid

Mỗi nhiệm vụ khoa học đều có những hạn chế và yêu cầu riêng tùy thuộc vào những gì nó hy vọng đạt được trong suốt cuộc đời của mình. Trong trường hợp của Euclid, nó được thiết kế để tạo ra bản đồ 3D lớn nhất, chính xác nhất về Vũ trụ. Dụng cụ của Euclid thu thập những hình ảnh cực kỳ chính xác để xác định những biến dạng mờ trong hình dạng của các thiên hà ở rất xa.

Giá trị của những hình ảnh này nằm ở độ chính xác và chi tiết đáng kinh ngạc của chúng. Điều này đưa kích thước tệp hình ảnh lên hàng gigabyte và dẫn đến thách thức chính đối với phân đoạn cơ bản của nhiệm vụ: nhận tối đa 100 GB tệp lớn được liên kết xuống mỗi ngày trong khoảng thời gian giới hạn bốn giờ.

Đó là khoảng gấp đôi khối lượng dữ liệu hàng ngày mà các kính viễn vọng không gian như James Webb và Gaia truyền từ cùng một quỹ đạo tại điểm Lagrange 2, cách Trái đất 1,5 triệu km. Với ‘đường chuyền’ ngắn hơn của Euclid – thời gian đàm thoại – với các trạm mặt đất của ESA, điều này đã yêu cầu phân đoạn mặt đất của Euclid trở nên đặc biệt hiệu quả để cho phép một luồng lớn như vậy từ Euclid đến Trái đất và trở đi đến các nhóm khoa học.

Nâng cấp ăng-ten không gian sâu Cebreros và Malargüe

Bước đầu tiên là có thể duy trì tốc độ đường xuống dữ liệu cao lên tới 75 megabit/giây giữa các trạm mặt đất Euclid và Etrack để tải xuống tất cả dữ liệu của nó một cách thoải mái và hiệu quả trong vòng bốn giờ.

Nếu Euclid truyền dữ liệu giống như sứ mệnh Gaia của ESA, cũng quay quanh quỹ đạo ‘L2’, thì nó sẽ vô vọng làm tắc nghẽn các trạm mặt đất vì nó gửi gấp đôi lượng dữ liệu.

Để có thể truyền nhiều dữ liệu như vậy trong thời gian ngắn như vậy, hai trong số ăng-ten 35 m của ESA phải được nâng cấp theo nhiều cách khác nhau. Đầu tiên, Euclid sẽ là sứ mệnh khoa học đầu tiên của ESA tại điểm Lagrange thứ hai sử dụng ‘băng tần K’ tần số cao hơn (26 GHz), cho phép tốc độ dữ liệu cao hơn.

“Các đường dây liên lạc nhanh hơn đã được lắp đặt giữa trung tâm điều khiển ở Đức và các trạm mặt đất ở Tây Ban Nha và Argentina. Và đó mới chỉ là phần đầu của danh sách,” Åge-Raymond Riise, Điều phối viên trạm cho Euclid cho biết.

“Chúng tôi có bốn ‘bộ khuếch đại tiếng ồn thấp’ được làm mát bằng phương pháp đông lạnh mới trong mỗi trạm để nhận tín hiệu từ không gian.”

Bằng cách làm mát ‘nguồn cấp dữ liệu ăng-ten’ xuống chỉ 10 độ so với nhiệt độ thấp nhất có thể có trong Vũ trụ, tăng lượng dữ liệu có thể được liên kết xuống từ tàu vũ trụ lên tới 40%.

‘Các giao thức truyền tệp’ mới cũng đã được thiết lập, một thế hệ modem trạm mặt đất mới đang được sử dụng và các gương chuyển động đã được chế tạo để định tuyến tín hiệu của Euclid đến thiết bị mới.

Và đó không phải là tất cả. Tần số 26 GHz này mang lại lợi ích cho khối lượng dữ liệu lớn, nhưng bản thân kết nối lại kém ổn định hơn vì nó có thể bị giảm cường độ do ảnh hưởng của nước trong khí quyển, có khả năng gây mất dữ liệu. Kỹ thuật tiếp theo đã đi vào bảo vệ chống mất dữ liệu như vậy, mang lại lợi ích không chỉ cho Euclid mà còn cho các sứ mệnh ESA khác cũng sử dụng tần số cao.

Thêm hộp đen cho các trạm mặt đất

Khi nhận được đường truyền tại trạm mặt đất, dữ liệu hữu ích được trích xuất từ ​​’các gói’ có chức năng giống như một loại phong bì có hướng dẫn. Dữ liệu được giải nén, chưa mã hóa chỉ chiếm khoảng một nửa dữ liệu mà Euclid gửi. Điều này sau đó được gửi đến kiểm soát nhiệm vụ tại Trung tâm điều hành không gian châu Âu của ESA (ESOC), ở Darmstadt, Đức, thông qua kết nối riêng tư, an toàn được thiết lập đặc biệt cho mục đích này.

Thông thường, việc kiểm tra tính đầy đủ của dữ liệu được thực hiện tại trung tâm điều khiển sứ mệnh, sau đó gửi lệnh tới tàu vũ trụ để truyền lại dữ liệu nếu cần.

“Trong trường hợp này, liên kết giữa chính Euclid và các trạm mặt đất tại Cebreros hoặc Malargüe nhanh hơn nhiều so với kết nối từ các trạm mặt đất đến điều khiển sứ mệnh tại ESOC,” Arek Kowalczyk, Giám đốc Hệ thống Dữ liệu Euclid giải thích.

“Chúng tôi không thể đợi cho đến khi tất cả dữ liệu được chuyển đến hệ thống điều khiển nhiệm vụ để kiểm tra xem có phần nào bị thiếu hay không. Thay vào đó, chúng tôi đã phát triển một phần mềm chạy trên máy chuyên dụng cho Euclid ở trạm mặt đất. Nó hợp nhất các phần của tệp dữ liệu và chỉ chuyển tiếp các hướng dẫn liên quan đến bất kỳ dữ liệu bị thiếu nào tới hệ thống điều khiển sứ mệnh tại ESOC, từ đó họ có thể yêu cầu truyền lại các phần còn thiếu xuống mặt đất. Chỉ sau khi tệp hoàn tất, nó mới được chuyển sang ESOC.”

Giải pháp tự động này tránh mất dữ liệu và cho phép mọi hoạt động truyền lại cần thiết được thực hiện tự động.

Kéo và thả tệp vào không gian

Hình ảnh lớn của Euclid đã truyền cảm hứng cho một hệ thống xử lý dữ liệu tích hợp mới, nghĩa là nó có thể xử lý bất kỳ loại tệp nào chứ không chỉ các gói dữ liệu thông thường có yêu cầu định dạng dữ liệu nghiêm ngặt.

Bộ điều khiển chuyến bay giờ đây có giao diện đồ họa, trực quan hơn nhiều, giảm độ phức tạp và giảm cả khả năng xảy ra lỗi của con người cũng như khối lượng đào tạo cần thiết. Nó thậm chí còn cho phép người vận hành kéo và thả các tệp để tải lên hoặc tải xuống từ Euclid trong không gian.

Quan trọng nhất có lẽ là các nhà khoa học không cần định dạng dữ liệu của họ theo một cách cụ thể. Họ có thể yêu cầu các công cụ của mình tạo bất kỳ định dạng tệp nào phù hợp nhất với họ và họ nhận được các tệp của mình chính xác như họ muốn.

Theo kịp Euclid

Sự ra mắt của Euclid diễn ra suôn sẻ và quá trình chạy thử vẫn tiếp tục, nhưng đối với mọi người trong nhóm vận hành dữ liệu, thời gian khắt khe nhất vẫn còn ở phía trước.

Sẽ là một nhiệm vụ không ngừng nghỉ để theo kịp Euclid, xử lý lượng lớn dữ liệu trong khoảng thời gian eo hẹp khi đi qua trạm mặt đất, nhưng đó là nhiệm vụ mà họ đã sẵn sàng hơn cả.

Mariella Spada cho biết: “Chúng tôi hiện đã chuẩn bị đầy đủ để tải xuống ‘Vũ trụ’ từ Euclid. “Đây là kết quả của sự làm việc chăm chỉ và tháo vát của nhóm, cùng với nhiều đồng nghiệp từ ESA và hơn thế nữa, những người đã đóng góp vào thành công này.”