一種新的數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)成功檢索了氣球望遠鏡圖像

今年早些時候，美國國家航空航天局的一次高空氣球飛行提醒我們要注意一個非常重要的教訓：永遠備份你的數(shù)據(jù)。

4月，研究人員在新西蘭Wānaka發(fā)射了超壓氣球成像望遠鏡（SuperBIT，Super Pressure Balloon Imaging Telescope，https://blogs.nasa.gov/superpressureballoon/category/2023-campaign/superbit/），懸掛在地球大氣層頂部一個體育場大小的氦氣氣球下，旨在通過對碰撞星系成像來收集暗物質分布數(shù)據(jù)。SuperBIT在大氣層邊緣漂浮了40天，環(huán)繞地球飛行5.5次，在返回地球之前收集數(shù)據(jù)。然而，在著陸時，氣球嚴重受損 —— 降落在阿根廷南部時被損壞。

兩個數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)包拯救了SuperBIT通過降落傘降落并安全著陸的超過200 gb的信息，包括星系周圍的暗物質地圖和令人驚嘆的太空照片。暗物質是一種不可見的物質，其質量是宇宙中普通物質的六倍。

“It’s like streaming Netflix down from the edge of space.”
—RICHARD MASSEY, DURHAM UNIVERSITY, ENGLAND

英國杜倫大學物理學教授Richard Massey說：“對于元素周期表上的所有元素，暗物質的數(shù)量大約是它們的六倍?！北娝苤?，暗物質對可見物質的唯一影響只能通過引力效應間接觀察到?！斑@有點像研究風，”Massey解釋道，“如果你一眼望過去，你看不到風，但你可以看到樹葉在四處飛舞?！?/p>

SuperBIT已經(jīng)將注意力集中在星系團上，在那里，數(shù)百到數(shù)千個星系聚集在一起，有時還會碰撞。Massey說：“我們正在使用SuperBIT來繪制比特的飛行位置，這樣我們就有希望弄清楚這種看不見的東西是什么?！?/p>

地面望遠鏡沒有研究人員進行這些觀測所需的分辨率，而現(xiàn)有的太空望遠鏡——通過避免來自大氣層的散射來實現(xiàn)更高的分辨率——使用的視野要么太窄，要么太寬。將望遠鏡與30多公里高空的氣球掛在一起提供了一個理想的解決方案，只需花費一小部分成本就可以實現(xiàn)與太空望遠鏡幾乎相同的分辨率。悉尼大學的研究助理Ellen Sirks說：“這聽起來有點瘋狂，但效果非常好。” 作為Massey的博士生，她開始在SuperBIT方向上工作。Sirks說，雖然哈勃和詹姆斯·韋伯太空望遠鏡等望遠鏡耗資數(shù)十億美元，但氣球望遠鏡可以“在大學所支持的預算內”完成發(fā)射。

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利用樹莓派“膠囊”保護氣球望遠鏡數(shù)據(jù)

基于氣球的望遠鏡也帶來了挑戰(zhàn)，比如可靠的數(shù)據(jù)檢索。一般來說，這些望遠鏡將數(shù)據(jù)傳送到地面站或附近的衛(wèi)星。SuperBIT在SpaceX的星鏈衛(wèi)星上做到了這一點，但該望遠鏡收集的數(shù)據(jù)太多，無法在整個飛行過程中連續(xù)傳輸。

Massey說：“這就像是從太空邊緣流式傳輸Netflix?！痹跊]有穩(wěn)定連接的情況下，“流媒體”在飛行過程中中斷了幾次，并在任務開始后損失了大約兩周。幸運的是，該團隊設計了一個物理備份系統(tǒng)，補充了衛(wèi)星連接和望遠鏡的主硬盤。這些數(shù)據(jù)被復制到數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)上，從天上被搶救出來。

Massey說：“這有點像20世紀60年代的間諜衛(wèi)星。”這些衛(wèi)星沒有把科學數(shù)據(jù)放在SD卡上，而是把監(jiān)控錄像放在膠卷暗盒里。

Sirks說，數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)由“相對常見”的部分組成。在電子產品方面，它使用了一臺樹莓派緊湊型電腦和一張存儲容量為5TB的SD卡。該存儲設備通過以太網(wǎng)連接到望遠鏡的機載計算機，以連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)機械鉗連接到望遠鏡上，因為它們能夠承受高張力而被選擇?！坝袝r候，最簡單的事情就是最好的解決方案，”Sirks說。

當天文學家準備釋放該系統(tǒng)時，他們會向樹莓派發(fā)送一條信息，開始這一過程。30秒后，它從望遠鏡上滑下，開始下降。降落傘打開以減緩墜落速度，進而滑翔至地球。由于基于氣球的方法比將望遠鏡送入軌道便宜，研究人員能夠迭代設計并改進他們的數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)。因此，雖然在數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)的開發(fā)過程中，基本設計是一致的，但一些細節(jié)已經(jīng)發(fā)生了變化。

例如，在2019年SuperBIT及其數(shù)據(jù)恢復的試飛中（oar.princeton.edu/bitstream/88435/pr10p0wq45/1/Sirks_2020_J._Inst._15_P05014.pdf），Massey和Sirks驚訝地發(fā)現(xiàn)，盡管環(huán)境寒冷，樹莓派還是過熱了。Massey解釋說，在高層大氣中，“溫度是-60攝氏度，但電子設備往往會過熱并斷電。”罪魁禍首很快被發(fā)現(xiàn)：風扇通常用來冷卻這些計算機，但在那個高度，幾乎沒有空氣來輸送熱量。所以，在該系統(tǒng)的更新版本中，研究人員添加了一個帶有銅管的散熱器系統(tǒng)，將計算機與周圍環(huán)境連接起來。這樣，計算機就可以將熱量散發(fā)到太空中，并保持系統(tǒng)的涼爽。

美國國家航空航天局氣球項目代理負責人Andrew Hamilton表示，對于像SuperBIT這樣很長飛行時間來說，數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)也是一個很好的解決方案。在這些飛行中，望遠鏡在海洋中丟失的可能性更大，因此他們不能依賴機載硬盤。然而，Hamilton說，檢索本身就帶來了挑戰(zhàn)：首先，你必須獲得當?shù)乜罩薪煌ü芾砭值脑S可才能放下數(shù)據(jù)膠囊。然后，研究人員必須找到膠囊落在哪里。

在放下兩個分別攜帶數(shù)據(jù)副本的膠囊之前，SuperBIT團隊與阿根廷警方進行了協(xié)調，Massey和Sirks表示，阿根廷警方是檢索的關鍵部分。太空艙降落在一個地形崎嶇的偏遠地區(qū)，研究人員只知道大致位置；Sirks開發(fā)了根據(jù)天氣狀況計算著陸點的軟件，但安第斯山脈上空的強風和電池故障意味著他們無法準確跟蹤登陸艇。

Massey說，其中一個數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)在著陸時還“接受了當?shù)匾吧鷦游锏臋z查” ——一只美洲獅發(fā)現(xiàn)了這個裝置，并把它從最初的地點拖走了。幸運的是，系統(tǒng)沒有嚴重損壞，數(shù)據(jù)是安全的。

Hamilton說，SuperBIT今年早些時候的飛行是美國國家航空航天局氣球項目首次使用這種類型的數(shù)據(jù)恢復系統(tǒng)。他說，現(xiàn)在，美國國家航空航天局正在研究其他進行“數(shù)據(jù)丟棄”的方法，通過包括“FLOATing DRAGON Challenge（https://floatingdragon.nianet.org/）”在內的項目，這是一項從大學生那里尋找類似設備原型的競賽。

Sirks和Massey還計劃通過修復系統(tǒng)下降過程中電池的問題來改進未來望遠鏡的設計。而且，為了保證在著陸后保護系統(tǒng)免受野生動物的傷害，Massey有一個想法：“下次，”他說，“我想我們必須在上面放一些聞起來有點難聞的東西?！?/p>