业余无线电爱好者解码詹姆斯韦伯太空望远镜

　　以下内容来自 EA4GPZ/M0HXM，翻译：CQ业余无线电
　　对于詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）不需要过多介绍，因为它可能是过去几年中最重要和最知名的任务。它在 2021 年 12 月 25 日从法属圭亚那的库鲁发射到太阳 - 地球 L2 拉格朗日点的直接转移轨道。JWST 使用 S 波段 2270.5 MHz 来传输遥测数据。科学数据将在 K 波段以 29.5 GHz 的频率进行传输，速率高达 28 Mbps。
　　发射后，第一个从 JWST 获取 S 波段信号的地面站是意大利航空航天局在肯尼亚马林迪的 10 米天线。该地面站命令遥测速率从 1 kbps 增加到 4 kbps。在此之后，JWST 继续向东移动，然后堪培拉的 DSN 跟踪了它几个小时。堪培拉所做的一件事是将遥测速率提高到 40 kbps，这显然是任务中使用的最大值。
　　随着 JWST 远离地球，它的足迹开始向西移动。在堪培拉之后，JWST 被马德里跟踪。Edgar Kaiser 呼号 DF2MZ、Iban Cardona 呼号 EB3FRN 和其他欧洲业余观察员收到了 S 波段遥测信号。当 EB3FRN 开始接收信号时，它再次使用 4 kbps 速率，但一段时间后，马德里将其切换到 40 kbps。
　　12 月 26 日 00：50 UTC，航天器进行了第一次轨道矫正，这个过程持续了令人印象深刻的 65 分钟。EB3FRN 抓住了这个动作造成的多普勒频率变化。
　　后来，在 7：30 到 11：30 UTC 之间，我一直在艾伦望远镜阵列的 6.1 米天线之一接收信号。遥测速率为 40 kbps，航天器可能与戈德斯通锁定，尽管它现在没有出现在 DSN 中 。我将会像往常一样在 Zenodo 中发布录音，但由于文件相当大，我可能会降低采样率，因此发布文件需要一些时间。
　　在本文的其余部分中，我将介绍 JWST 的遥测数据，并首先查看遥测数据。JWST 遥测信号的较低速率配置使用带有 40 kHz 子载波的 PCM / PSK / PM，而 40 kbps 配置使用 PCM / PM / NRZ。航天器使用 CCSDS 串联编码，因此 4 kbps 配置实际上正好对应于 8 kbaud，而 40 kbps 是 80 kbaud。
　　根据 EB3FRN 记录的数据，4 kbps 遥测使用单个（252，220）Reed-Solomon 码字。这个选择很有趣，因为它在卷积编码器的输入端给出了 2048 位的帧大小，同时考虑到了 ASM。一些中国的航天任务，如天问 1 号和嫦娥 5 号，都使用了这个码字大小，因为他们使用的波特率是二的幂，比如 2048 或 16384 波特。通过具有 2048 位帧，可以获得传输帧所需时间的倍数，例如 2 秒或 0.25 秒。但是，在 JWST 的情况下，波特率不是 2 的幂，而是＂以 10 为底的整数＂，例如 4000 或 40000。因此，他们无法获得帧的这些倍数时间。因此，奇怪的是，他们选择了（252220）的缩短大小，而不是（255223）的全尺寸。
　　40 kbps 遥测使用 5 个交错 （252220） Reed-Solomon 码字，因此总帧大小为 1100 信息字节。
　　我与 EB3FRN 的录音一起使用的 GNU Radio 解码器流程图，其中包含 4 kbps 的遥测数据。如下图所示。
　　用于 4 kbps 遥测的 GNU 无线电解码器
　　不幸的是，EB3FRN 录音中的 SNR 略低于解码所需的 SNR，并且我无法正确解码单个 Reed-Solomon 帧。尽管如此，考虑到数据有错误，人们可以查看帧并学习一些东西，因为里德-所罗门代码是系统化的。这就是 r00t.cz 一直在对录音做的事情。
　　对于 ATA 记录中的 40 kbps 遥测，我使用了此流程图，如下所示。
　　用于 40 kbps 遥测的 GNU 无线电解码器（使用双极化）
　　ATA 中的天线馈电使用双线性极化（X 和 Y），因此自动极化模块将两个极化组合在一起以最大化 SNR。来自 JWST 的信号名义上是圆极化的（我认为是 RHCP），但由于低增益天线是贴片天线，并且我们无法直接从其孔径方向看到它，因此通常我们会看到一些椭圆极化。我观察到，在录制开始时，X 偏振中的信号功率比 Y 偏振中的信号功率大得多。我将不得不检查这在整个录制过程中是如何演变的。下图显示了仅使用 X 偏振的信号频谱。
　　X 偏振中的 SNR 几乎不足以解码，有些帧可以解码，但有些帧不能解码。通过结合两种极化，我们获得了一些 SNR，并且可以解码大部分帧。
　　下图显示了在 ATA 录制开始时运行的 GNU Radio 解码器的 GUI。我们可以在左上角的光谱图中看到 X 和 Y 极化之间的 SNR 差异。我们看到符号非常嘈杂，因此 Viterbi 和 Reed-Solomon 解码器能够解码如此多的正确帧似乎很神奇。
　　GNU 无线电记录与 ATA 记录一起运行
　　JWST 传输的帧是 CCSDS AOS 帧。航天器 ID 为 170（0xaa），与 NASA HORIZONS 和 SANA 注册表中使用的 ID 相匹配。有两个虚拟通道正在使用中：虚拟通道 0（承载遥测数据）和虚拟通道 63（仅空闲数据）。＂仅空闲数据＂帧的所有有效负载（AOS 主标头之外的所有内容）都填充了字节，这是 ASCII。0x78x
　　大约 95% 的帧属于虚拟通道 0。虚拟通道 0 中的帧包含使用 M_PDU 协议的 CCSDS 空间数据包。帧的最后 4 个字节是预告片。似乎预告片的内容循环遍历值和每三帧（至少在录制开始时）。我不确定这个预告片代表什么。我不认为它是一个通信链路控制字（如 CCSDS TC 空间数据链路协议中所述），因为其中一个保留位设置为一个而不是零。但是，我不能完全排除这种可能性，因为其余字段的值可能有意义。0x010001eb0x0904019e0x09080100
　　下图显示了根据虚拟通道帧计数器中的跳转在虚拟通道 0 中丢失的帧数。我们可以看到，在记录结束时，随着航天器仰角降低并最终低于高程掩码，错误率增加。总体而言，虚拟通道 0 中 76% 的帧已正确解码。
　　许多空间数据包 APID 处于活动状态。像往常一样，我在 Jupyter 笔记本中完成了每个光栅图。浏览这些栅格图，我的印象是，有许多具有复杂的数据结构，尽管也有许多区域填充了零。下面的两个图显示了 APID 外观的一些示例。完整的情节列表可以在 Jupyter 笔记本中看到。
　　我还看到有许多字段具有浮点数。这些通常具有独特的＂纹理＂，因此在这些栅格图中发现它们并不困难。
　　我尝试遍历了所有 APID，绘制了所有浮点字段的值，尽管我没有尝试详尽无遗，并且可能留下了一些。我还没有见过像天问1的状态向量数据那样有趣的数据。大多数浮点字段的宽度为 32 位（使用 IEEE 754 大端表示），但也有一些是 64 位宽的。
　　也许我发现更有趣的浮点通道是这三个相邻的，它们出现在 APID 1201 中，也出现在 APID 1404 和 1727 中（在一些情况下，似乎相同或非常相似的数据出现在几个不同 APID 的某些字段中）。
　　APID 1201 中的浮点通道
　　另一组看起来很有趣的浮点通道是 APID 1755 中的以下 6 个相邻通道。
　　APID 1755 中的浮点通道
　　这些情节的完整列表也在 Jupyter 笔记本中。目前，我不知道他们中的任何一个都显示了什么样的数据。在解释数据时应该小心，因为即使某些字段在解释为浮点时具有合理的值，也有可能不是真正的浮点数，而是整数。
　　也许我会在接下来的几天内重新解析这些录音，但现在我想发布我迄今为止所发现的。解码后的帧在 Github 存储库中可用，并且可以使用 git-annex 获得，如 README 中所述。