NASA深空網路瀕臨極限：阿提米絲任務考驗通訊命脈，未來挑戰更艱鉅

近四年前，美國國家航空暨太空總署（NASA）的深空網路（Deep Space Network, DSN）在執行阿提米絲一號（Artemis I）任務時，幾乎被推向極限。這個由全球各地深空通訊天線組成的龐大網路，不僅要應付常規的四十項機器人科學任務，還必須承擔獵戶座太空艙（Orion space capsule）繞月飛行時所產生的大量數據需求，導致網路不堪重負。

這次發生在2022年末的經驗，使得詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）和火星探測車等多項備受矚目的科學任務，其數據下傳作業被迫減少或延遲，因為當時數據需求極高的阿提米絲一號任務享有通訊網路的優先權。而這一切，都還發生在載人阿提米絲任務啟動之前。

今年4月1日，當阿提米絲二號（Artemis II）任務啟動，NASA再次動用深空網路，以確保任務控制中心與遠在地球25萬英里之外的獵戶座太空艙保持聯繫。儘管這次任務有四名太空人搭乘，對獵戶座太空艙數據的需求比阿提米絲一號更高，但幸運的是，阿提米絲二號任務僅持續九天多，遠短於阿提米絲一號的25天，這有助於緩解通訊網路的超載壓力。此外，阿提米絲一號還將十顆小型立方衛星（CubeSats）送入深空，其中許多都需要深空網路提供追蹤和通訊服務，而阿提米絲二號攜帶的立方衛星數量則較少。

從阿提米絲一號的教訓：流程改進與硬體升級

NASA太空通訊與導航計畫的性能發展副經理格雷格·赫克勒（Greg Heckler）表示，NASA從阿提米絲一號任務中學到了許多經驗，並在阿提米絲二號任務之前實施了新的流程，主要集中在所有任務（不單是獵戶座太空艙本身）的協調和排程上。他認為：

「我認為這項工作做得很好。」

赫克勒指出，負責大多數深空網路任務的NASA科學部門，在阿提米絲二號任務後向網路管理人員提供了「正面回饋」。然而，網路的限制和高需求仍然在NASA的各項任務之間「造成資產爭奪」。

赫克勒進一步解釋，在阿提米絲一號任務期間，一個名為「私有雲設備」（Private Cloud Appliance, PCA）的子系統發生故障。由於這次故障及其高度可見性，他們從「月球到火星計畫」（Moon to Mars program）獲得了額外資源，並在阿提米絲二號任務之前成功安裝了一個新的子系統。

通訊需求只增不減：新挑戰與解決方案

對通訊訊號的需求只會不斷增加。NASA及其商業和國際合作夥伴計畫在未來幾年內向月球發射眾多任務。為此，NASA正與商業供應商合作，建造地面天線，以建立一個專門用於月球任務的網路，稱為「月球探索地面站」（Lunar Exploration Ground Sites, LEGS），旨在釋放深空網路的更多容量，以支援其他太空船。商業公司也正在開發繞月飛行的數據中繼衛星，以支援未來的登陸器和月球基地的建設。高頻寬的光學通訊（optical communications）可能是另一項解決方案，NASA已在阿提米絲二號任務的獵戶座太空艙上成功測試了雷射通訊終端。

赫克勒在小型天體評估小組（Small Bodies Assessment Group）會議上表示：

「我們必須作為一個社群來共同應對阿提米絲任務期間更高層次的爭奪，但我們正竭盡所能建立非深空網路或新的基礎設施，以承擔這些負荷和重擔。」

目前，深空網路的負擔包括約四十項運行中的任務，這些任務都依賴位於加州、西班牙和澳洲的天線與地球保持通訊。大多數NASA任務的壽命都超出了其最初設計，因此隨著NASA發射新的太空船，它們對網路的需求時間也更長。

預計未來十年內，約有四十項新任務將需要深空網路的支援，而目前正在使用網路時間的四十項任務中，許多也可能在此期間繼續運行。NASA數據密集度最高的任務之一，南希·格雷斯·羅曼太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope），預計將於今年八月發射。它將透過深空網路傳回的數據量，將超過NASA所有先前天文物理任務的總和。

阿提米絲一號作為次要酬載發射的十顆立方衛星，也給深空網路帶來了意想不到的負擔。其中一些小型衛星在從火箭部署後不久就失聯，其操作人員要求深空網路動用其巨型天線搜尋這些進入深空的立方衛星，這進一步加劇了網路在處理獵戶座太空艙通訊時已面臨的壓力。

赫克勒表示：

「在將新任務納入深空網路之前，我們現在嚴格要求進行可行性研究，以確定是否有足夠的容量來做出這類承諾。因此，我們正試圖透過數據和分析，平衡系統上的新需求與我們必須支援到因自然原因而結束的舊有任務。」

深空網路管理人員也正與NASA的舊有任務合作，其中一些任務在發射數十年後仍持續佔用網路資源，以了解它們將使用多少容量。隨著這些舊任務的延長，其中一些並未更新其對網路的需求。赫克勒指出：

「有些任務使用的資源比他們文件上寫的還要多。」

赫克勒補充道：

「一旦這些機制到位，隨著我們推進新的任務承諾，我認為我們將會更加專注，並且更注重流程，以便能夠決定是否承諾新的任務。」

關鍵天線意外受損：維修與流程問題

深空網路面臨的一大限制是去年發生的一起事故，導致位於加州巴斯托（Barstow）附近戈德斯通深空通訊中心（Goldstone Deep Space Communications Complex）的三座70米（230英尺）天線之一停用。這座天線與位於西班牙和澳洲的同類天線一樣，用於與NASA一些最遙遠的任務進行通訊。

去年九月，這座70米天線在追蹤NASA的朱諾號太空船（Juno spacecraft）時，發生「過度旋轉」，損壞了設施消防系統中的電纜和水管。估計有20萬加侖的含乙二醇水淹沒了天線底部，由於含有乙二醇，這些水被列為環境危害物質，導致天線無法運行。

調查人員指出，事故原因涉及多項技術和流程問題。報告中寫道，在排除天線緊急停止系統的故障後，戈德斯通的技術人員「覆蓋並繞過了多個通常會防止過度旋轉的保護措施」。

調查人員寫道：