天と地のつながりが突然失われましたが、緊急時のトラブルシューティング方法についてどれくらい知っていますか？

7月25日、電力供給の問題により米国は国際宇宙ステーションとの通信が途絶え、ロシアに助けを求め、バックアップシステムを起動せざるを得なくなった。無人/有人宇宙船は地上チームとの通信を維持する必要がありますが、予期せず通信が途絶えることは避けられません。では、その背後にはどのような要因があるのでしょうか?天と地は、この危険な状況を解決するためにどのような技術的手段を使用できるでしょうか?

連絡が途絶える理由は様々である

通信の途絶について話すとき、人々の最初の反応は、通信機器が故障したというものです。実際、宇宙船と地上チーム間の通信リンクは、機器が正常に動作しているかどうか、信号の強度と認識、自然および人為的な干渉など、多くの要因によって影響を受ける可能性があります。

通信機器の故障や損傷は、通信が中断したり、地上と空の間の接続が失われたりする一般的な原因の 1 つです。宇宙船上の通信機器の動作環境は過酷です。動作時間が長くなると、さまざまな環境要因によって微妙に影響を受けます。機器の老朽化は避けられず、通信リンクが不安定になったり、不定期に通信が中断したりする可能性があります。

このような状況に対処するため、宇宙船の通信システムは通常、バックアップ機器や冗長通信リンクを備えて設計されており、主要機器に障害が発生した場合でも地上チームとの最小限の通信接続が維持され、通信の信頼性と安定性が向上します。

停電によりNASAは一時的に国際宇宙ステーションとの連絡を失った

通信リンクは、機器の故障などの「ハードな損傷」に加え、信号の干渉などの「ソフトな損傷」を受ける可能性もあります。いわゆる「信号干渉」とは、他のデバイスや背景環境からの無関係な信号と通信信号との複雑な相互作用を指し、その結果、通信信号の品質が低下したり、情報が不正確に伝達されたりします。このため、宇宙船の通信システムでは通常、干渉防止技術を適用し、信号処理アルゴリズムを改善して、信号品質と干渉防止能力を向上させ、「ホストを盗む」という厄介な状況を回避します。

人々の生産と生活における電子機器がますます多様化、複雑化するにつれて、電磁気的背景はもはや「クリーン」ではなくなり、電磁波の「汚染」は悪化し、電磁干渉は通信障害につながる重要な要因の1つになっています。このほぼ普遍的な脅威を克服するために、宇宙船の通信システムでは通常、設計段階で電磁両立性の問題を慎重に考慮し、適切なシールド対策と干渉抑制技術を選択します。

実際、電磁干渉は強力な電磁場から発生することが多く、必ずしも人間の活動による悪影響というわけではありません。雷雨などの厳しい気象条件も強力な電磁エネルギーを発生させ、航空宇宙通信機器の正常な動作を妨げ、信号伝送の低下や通信の中断につながる可能性があります。人間の力で正面から対抗することが困難と思われるこの「天の力」に対して、宇宙船と地上チームは一般的に高周波無線通信技術を使用して通信を強化します。

すべての機器が正常に機能し、地球の大気圏内の干渉要因が重要でない場合でも、地球と地面の間の接続が失われる可能性があります。宇宙船が特定の軌道に入ると、距離が長いか、特定の物体によって一時的に遮られるため、地上チームとのリアルタイムの連絡を維持できなくなります。科学研究者は通常、宇宙船が自らの位置を独自に判断し、必要に応じて軌道を調整し、地上チームとの円滑な通信をできるだけ早く回復できるように、宇宙船に自律航行という「独自のスキル」を装備することを事前に計画します。

地球と地面の接触が失われる原因となる要因が数多くあることは容易に想像できます。宇宙船と地上チームが緊急事態に遭遇した場合、複数の情報源から手がかりを検証し、原因を慎重に特定し、実際の状況に合った処理計画をできるだけ早く策定する必要があります。

危険を克服するためのさまざまな手段

宇宙ミッションでは、地球と空の間の安定した通信を確保することが非常に重要です。地上が宇宙船の状態情報を入手し、タイムリーに指示を出す場合も、宇宙船が観測結果を送信してミッションの円滑な進行を図る場合も、効率的で信頼性の高い通信回線が不可欠です。したがって、地上と地球の間の通信が予期せず途絶えてしまった場合には、できるだけ早く通信を回復する必要があります。現在の技術レベルでは、地上チームがより重要な責任を負うことが多いです。

地上から宇宙への通信の信頼性を向上させるために、地上チームは中継通信衛星を打ち上げたり、すぐに再送信したりして、「シームレスな」通信ネットワークを確立することがよくあります。これらの衛星は信号中継基地として信号を受信して​​地上局に転送することができ、地球上のさまざまな場所間の距離制限を克服し、宇宙船が軌道上のできるだけ多くの場所で地上との通信を維持できるようにします。この方法により、平常時の宇宙船の通信範囲と信号カバレッジが大幅に拡大し、緊急事態における「救助」の成功確率を高めることができます。

ボイジャー2号探査機は最近地上チームとの連絡が途絶えた

情報技術の進歩により、信号干渉に直面しても、宇宙船と地上チームはネットワーク遅延補正やエラーチェックなどの技術的手段を使用して通信品質を向上させることができます。ネットワーク遅延補正技術は、信号伝送の遅延時間に基づいて対応する調整を行い、通信信号の同期を確保します。エラー チェック テクノロジーにより、通信中に発生する可能性のあるエラーを検出して修正し、データの正確性と整合性を確保できるようになります。

地球の大気圏における気象干渉に直面して、科学研究者は高周波の電波を好んでいます。大気圏を貫通する特殊な能力があり、特に長距離通信に適しています。他の周波数帯の電波と比較して、大気中での伝播損失が少なく、特に雲や雷雨などを効果的に貫通できるため、宇宙船が悪天候でも地上チームとの連絡を最大限に維持するのに役立ちます。

この点に関して、設計者は信号強度とカバレッジを高めるために、宇宙船に複数の受信機と送信機を装備することも検討する場合があります。同時に、宇宙船はアンテナ技術を使用して、事前に設定されたプログラムに従って信号を調整および強化し、さまざまな気象条件や環境に適応することも期待されています。

自律航法技術は、宇宙船が位置を特定し、軌道を変更し、地上との連絡を回復するために不可欠です。現在、自律航法は主にレーザー測距や衛星搭載慣性航法などの手段によって実現されています。このうち、レーザー測距システムは、ターゲットにレーザーパルスを照射し、パルスのエコー時間に基づいて宇宙船とターゲット間の距離を計算します。宇宙船のレーザー距離計は周囲の環境をリアルタイムでスキャンし、取得した距離情報を分析して、他の物体に対する自身の位置と姿勢を決定します。

衛星搭載慣性航法システムは、慣性センサー（ジャイロスコープや加速度計など）を使用して宇宙船の直線加速度と角速度を測定し、これらのデータに基づいて宇宙船の位置と姿勢の変化を推定し、高精度の位置と姿勢の情報を提供することで、地上信号がない場合でも宇宙船が自立して航行できるようにします。

新しい技術は新しいソリューションを生み出す

マイクロエレクトロニクスや人工知能などの技術の進歩により、宇宙船はより長く運用でき、より遠い目標まで飛行できるようになります。より多くの課題に直面しているものの、従来は対処が困難であったより多くの問題を解決できるという希望もあります。

たとえば、新世代の自律航法技術では、宇宙船の位置と姿勢の情報を定期的に更新できます。地上との通信信号が弱くなったり途切れたりしていることが分かると、自らの位置情報に基づいて行動を起こすことができます。明らかに、これにより宇宙船の独立性と柔軟性が効果的に向上し、地上管制への依存度が低減します。

自律航法技術は宇宙ミッションの安全性と精度も向上させることは特筆に値します。宇宙船は、リアルタイムの位置と姿勢の情報に基づいて軌道を調整し、衛星測位や宇宙探査などのさまざまなミッション要件に適応できるため、宇宙探査と資源利用の可能性が広がります。

長い間、宇宙船の内部システムの問題により、コンピュータシステムのクラッシュ、電源障害、センサーの故障など、地上と地球との接続が失われており、私たちにできることは「最善を祈る」ことだけだ。しかし、技術やプロセスの進歩により、宇宙船のバックアップ能力が強化され、徐々に自力で障害を解決できる能力を獲得していくことが期待されます。

例えば、コンピュータシステムのクラッシュが発生した場合、宇宙船は緊急措置を講じて、内部のバックアップ電源とバックアップ通信機器を速やかに起動します。バックアップ電源は、他の重要な機器の正常な動作を確保するために安定した電力を供給します。バックアップ通信機器は、地上チームとの連絡をできるだけ早く回復するために、異なる周波数を使用するか、衛星に依存します。

宇宙船が宇宙に飛び立つ前には、科学研究者によって電力システムが慎重に検査されますが、それでもバッテリーの故障や回路の異常などの要因によって電力供給に障害が発生する可能性はあります。こうした予期せぬ事故に対処するため、宇宙船には太陽電池や燃料電池などのバックアップ電源システムが搭載される予定だ。

宇宙船には環境情報を取得したり観測作業を行うためのさまざまなセンサーが搭載されています。特定のセンサーが正しく動作しない場合、他のデバイスに影響を及ぼす可能性があります。このため、宇宙船には複数のセンサー冗長システムを設置することができます。センサーが故障した場合でも、他のセンサーが正確なデータを提供でき、バックアップ通信機器を通じて地上チームとの連絡を維持できます。

将来的には、人工知能技術がより広範かつ深く応用されるにつれて、宇宙船の制御ソフトウェアもモジュール性と汎用性が向上するでしょう。さまざまな要因で地上との接続が失われる危機に直面した宇宙船は、自律的に故障部分を「隔離」し、制御システムを再構築することが期待されている。中継通信衛星、自律航法、バックアップシステムや機器の助けを借りて、地上との連絡を回復する効率を向上させ、それによってミッションが円滑に遂行され、宇宙探査においてより大きな成果を達成することに貢献します。 （著者：馬傑、画像提供：NASA、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長、江凡）