今年早些時(shí)候，美國(guó)國(guó)家航空航天局的一次高空氣球飛行提醒我們要注意一個(gè)非常重要的教訓(xùn)：永遠(yuǎn)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(yuǎn)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(gè)體育場(chǎng)大小的氦氣氣球下，旨在通過對(duì)碰撞星系成像來收集暗物質(zhì)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(shí)，氣球嚴(yán)重受損 —— 降落在阿根廷南部時(shí)被損壞。

兩個(gè)數(shù)據(jù)恢復(fù)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(zhì)地圖和令人驚嘆的太空照片。暗物質(zhì)是一種不可見的物質(zhì)，其質(zhì)量是宇宙中普通物質(zhì)的六倍。

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

英國(guó)杜倫大學(xué)物理學(xué)教授Richard Massey說：“對(duì)于元素周期表上的所有元素，暗物質(zhì)的數(shù)量大約是它們的六倍?！北娝苤?，暗物質(zhì)對(duì)可見物質(zhì)的唯一影響只能通過引力效應(yīng)間接觀察到?！斑@有點(diǎn)像研究風(fēng)，”Massey解釋道，“如果你一眼望過去，你看不到風(fēng)，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(tuán)上，在那里，數(shù)百到數(shù)千個(gè)星系聚集在一起，有時(shí)還會(huì)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(yuǎn)鏡沒有研究人員進(jìn)行這些觀測(cè)所需的分辨率，而現(xiàn)有的太空望遠(yuǎn)鏡——通過避免來自大氣層的散射來實(shí)現(xiàn)更高的分辨率——使用的視野要么太窄，要么太寬。將望遠(yuǎn)鏡與30多公里高空的氣球掛在一起提供了一個(gè)理想的解決方案，只需花費(fèi)一小部分成本就可以實(shí)現(xiàn)與太空望遠(yuǎn)鏡幾乎相同的分辨率。悉尼大學(xué)的研究助理Ellen Sirks說：“這聽起來有點(diǎn)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(yuǎn)鏡等望遠(yuǎn)鏡耗資數(shù)十億美元，但氣球望遠(yuǎn)鏡可以“在大學(xué)所支持的預(yù)算內(nèi)”完成發(fā)射。

“

利用樹莓派“膠囊”保護(hù)氣球望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)

基于氣球的望遠(yuǎn)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(yuǎn)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(diǎn)，但該望遠(yuǎn)鏡收集的數(shù)據(jù)太多，無法在整個(gè)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(wù)開始后損失了大約兩周。幸運(yùn)的是，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)物理備份系統(tǒng)，補(bǔ)充了衛(wèi)星連接和望遠(yuǎn)鏡的主硬盤。這些數(shù)據(jù)被復(fù)制到數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)上，從天上被搶救出來。

Massey說：“這有點(diǎn)像20世紀(jì)60年代的間諜衛(wèi)星?！边@些衛(wèi)星沒有把科學(xué)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(duì)常見”的部分組成。在電子產(chǎn)品方面，它使用了一臺(tái)樹莓派緊湊型電腦和一張存儲(chǔ)容量為5TB的SD卡。該存儲(chǔ)設(shè)備通過以太網(wǎng)連接到望遠(yuǎn)鏡的機(jī)載計(jì)算機(jī)，以連續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，并通過專業(yè)機(jī)械鉗連接到望遠(yuǎn)鏡上，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺芨邚埩Χ贿x擇?！坝袝r(shí)候，最簡(jiǎn)單的事情就是最好的解決方案，”Sirks說。

當(dāng)天文學(xué)家準(zhǔn)備釋放該系統(tǒng)時(shí)，他們會(huì)向樹莓派發(fā)送一條信息，開始這一過程。30秒后，它從望遠(yuǎn)鏡上滑下，開始下降。降落傘打開以減緩墜落速度，進(jìn)而滑翔至地球。由于基于氣球的方法比將望遠(yuǎn)鏡送入軌道便宜，研究人員能夠迭代設(shè)計(jì)并改進(jìn)他們的數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)。因此，雖然在數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，基本設(shè)計(jì)是一致的，但一些細(xì)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(fù)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(shè)備往往會(huì)過熱并斷電?！弊锟?zhǔn)缀芸毂话l(fā)現(xiàn)：風(fēng)扇通常用來冷卻這些計(jì)算機(jī)，但在那個(gè)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(gè)帶有銅管的散熱器系統(tǒng)，將計(jì)算機(jī)與周圍環(huán)境連接起來。這樣，計(jì)算機(jī)就可以將熱量散發(fā)到太空中，并保持系統(tǒng)的涼爽。

美國(guó)國(guó)家航空航天局氣球項(xiàng)目代理負(fù)責(zé)人Andrew Hamilton表示，對(duì)于像SuperBIT這樣很長(zhǎng)飛行時(shí)間來說，數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)也是一個(gè)很好的解決方案。在這些飛行中，望遠(yuǎn)鏡在海洋中丟失的可能性更大，因此他們不能依賴機(jī)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(dāng)?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(gè)分別攜帶數(shù)據(jù)副本的膠囊之前，SuperBIT團(tuán)隊(duì)與阿根廷警方進(jìn)行了協(xié)調(diào)，Massey和Sirks表示，阿根廷警方是檢索的關(guān)鍵部分。太空艙降落在一個(gè)地形崎嶇的偏遠(yuǎn)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(jì)算著陸點(diǎn)的軟件，但安第斯山脈上空的強(qiáng)風(fēng)和電池故障意味著他們無法準(zhǔn)確跟蹤登陸艇。

Massey說，其中一個(gè)數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)在著陸時(shí)還“接受了當(dāng)?shù)匾吧鷦?dòng)物的檢查” ——一只美洲獅發(fā)現(xiàn)了這個(gè)裝置，并把它從最初的地點(diǎn)拖走了。幸運(yùn)的是，系統(tǒng)沒有嚴(yán)重?fù)p壞，數(shù)據(jù)是安全的。

Hamilton說，SuperBIT今年早些時(shí)候的飛行是美國(guó)國(guó)家航空航天局氣球項(xiàng)目首次使用這種類型的數(shù)據(jù)恢復(fù)系統(tǒng)。他說，現(xiàn)在，美國(guó)國(guó)家航空航天局正在研究其他進(jìn)行“數(shù)據(jù)丟棄”的方法，通過包括“FLOATing DRAGON Challenge（https://floatingdragon.nianet.org/）”在內(nèi)的項(xiàng)目，這是一項(xiàng)從大學(xué)生那里尋找類似設(shè)備原型的競(jìng)賽。

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