美國(guó)宇航局的兩顆衛(wèi)星用于研究太空中的信號(hào)中斷

美國(guó)宇航局的雙胞胎E-TBEx CubeSats是增強(qiáng)型串聯(lián)信標(biāo)實(shí)驗(yàn)的縮寫 - 計(jì)劃于2019年6月在國(guó)防部的太空測(cè)試計(jì)劃-2發(fā)射升空。此次發(fā)射包括來(lái)自政府和研究機(jī)構(gòu)的24顆衛(wèi)星。他們將從位于佛羅里達(dá)州美國(guó)宇航局肯尼迪航天中心的歷史性發(fā)射綜合體39A上搭載SpaceX Falcon Heavy。

E-TBEx CubeSats專注于通過(guò)地球上層大氣的無(wú)線電信號(hào)如何被該地區(qū)的結(jié)構(gòu)化氣泡扭曲，稱為電離層。特別是在赤道上存在問(wèn)題，這些失真會(huì)干擾軍事和航空通信以及GPS信號(hào)。我們?cè)搅私膺@些泡沫如何演變，我們就能越多地緩解這些問(wèn)題 - 但是現(xiàn)在，科學(xué)家們無(wú)法預(yù)測(cè)這些泡沫何時(shí)會(huì)形成，或者它們將如何隨時(shí)間變化。

“這些泡沫很難從地面開(kāi)始研究，”加利福尼亞州門洛帕克SRI國(guó)際公司E-TBEx任務(wù)的有效負(fù)載項(xiàng)目經(jīng)理Rick Doe說(shuō)。“如果你看到氣泡開(kāi)始形成，它們便會(huì)移動(dòng)。我們正在研究這些特征的演變，然后才開(kāi)始扭曲通過(guò)電離層的無(wú)線電波，以更好地理解基礎(chǔ)物理學(xué)。”

電離層是地球上層大氣的一部分，粒子被電離 - 這意味著它們被分離成一個(gè)正負(fù)粒子的海洋，稱為等離子體。電離層的等離子體與中性氣體混合在一起，就像我們呼吸的空氣一樣，因此地球的高層大氣 - 以及在那里形成的氣泡 - 對(duì)復(fù)雜的因素做出了反應(yīng)。

由于其顆粒具有電荷，因此該區(qū)域中的等離子體響應(yīng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)。這使得電離層對(duì)空間天氣做出響應(yīng)：空間條件，包括變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，往往受到太陽(yáng)活動(dòng)的影響?？茖W(xué)家們還認(rèn)為，大型風(fēng)暴系統(tǒng)發(fā)出的壓力波可以傳播到高層大氣中，產(chǎn)生的風(fēng)會(huì)影響氣泡的運(yùn)動(dòng)和變化。這意味著電離層和氣泡都是由陸地天氣和太空天氣形成的。

E-TBEx CubeSats以三個(gè)頻率(接近通信和GPS衛(wèi)星使用的頻率)向地面接收站發(fā)送無(wú)線電信標(biāo)信號(hào)，此時(shí)科學(xué)家可以檢測(cè)信號(hào)的相位或幅度的微小變化。然后，這些中斷可以映射到它們通過(guò)的電離層區(qū)域，為科學(xué)家提供有關(guān)這些氣泡如何形成和演化的信息。

“所有信號(hào)都是在同一時(shí)間創(chuàng)建的 - 具有相同的相位 - 所以你可以告訴它們?cè)谕ㄟ^(guò)氣泡時(shí)是如何變形的，”Doe說(shuō)。“然后，通過(guò)查看扭曲，您可以退回有關(guān)粗糙度和氣泡密度的信息。”

雙胞胎CubeSats產(chǎn)生的數(shù)據(jù)由NOAA的六顆COSMIC-2衛(wèi)星上的類似信標(biāo)補(bǔ)充。與E-TBEx CubeSats一樣，COSMIC-2信標(biāo)以三個(gè)頻率發(fā)送信號(hào) - 與E-TBEx用于地面接收站的頻率略有不同。來(lái)自所有八顆衛(wèi)星的測(cè)量結(jié)果將使科學(xué)家有機(jī)會(huì)同時(shí)從多個(gè)角度研究這些氣泡中的一些。

E-TBEx的燈塔由SRI International的一個(gè)團(tuán)隊(duì)建造，該團(tuán)隊(duì)還在COMSIC-2上設(shè)計(jì)和制造了信標(biāo)。E-TBEx CubeSats是在密歇根大學(xué)安娜堡分校的密歇根勘探實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的。設(shè)計(jì)，制造，集成和測(cè)試主要由本科生和研究生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行。

“由于可部署部件的數(shù)量，構(gòu)建和測(cè)試E-TBEx非常復(fù)雜，”密歇根大學(xué)的航空航天工程教授詹姆斯·卡特勒說(shuō)，他領(lǐng)導(dǎo)了從事E-TBEx工作的學(xué)生團(tuán)隊(duì)。“有效載荷基本上是一個(gè)飛行無(wú)線電臺(tái)，所以我們有五個(gè)天線可以部署 - 四個(gè)有兩個(gè)分段 - 還有四個(gè)太陽(yáng)能電池板。”

科學(xué)家從E-TBEx學(xué)到的東西可以幫助制定避免信號(hào)失真的策略 - 例如，允許航空公司選擇一個(gè)不易受到干擾的頻率，或者讓軍方推遲一項(xiàng)關(guān)鍵操作，直到潛在的破壞性電離層泡沫過(guò)去。

STP-2由美國(guó)空軍太空和導(dǎo)彈系統(tǒng)中心管理。美國(guó)國(guó)防部的任務(wù)將展示獵鷹重型火箭的能力，同時(shí)在大約六個(gè)小時(shí)的過(guò)程中將衛(wèi)星送到地球周圍的多個(gè)軌道。這些衛(wèi)星包括三個(gè)額外的NASA項(xiàng)目，以改善未來(lái)的航天器設(shè)計(jì)和性能。