Dlaczego tak długo trwa przesyłanie obrazu z Nowych Horyzontów na Ziemię?

Właśnie otrzymałem wiadomość, że sonda kosmiczna Nowe Horyzonty minęła jakąś odległą planetę na obrzeżach Układu Słonecznego.

Byłem zaskoczony, że facet z NASA twierdzi, że zrobienie zdjęcia tej planety może zająć nam 24 miesiące.

Układ słoneczny nie jest taki duży, prawda? Jest wolny, ponieważ transmisja sygnału jest wolna, prawda? Ale dlaczego transmisja jest tak wolna?

New Horizons właśnie minął obiekt Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69 znany również jako Ultima Thule. KBO tworzą pas asteroid (Pas Kuipera) z orbity Neptuna na zewnątrz, z których Pluto jest największym członkiem Pasa. Podczas spotkania z Ultima Thule wszystkie 7 instrumentów w New Horizons zbierało dane (choć nie wszystkie w tym samym czasie), a łączne zebrane dane powinny wynosić około 50 gigabajtów danych (w porównaniu do 55 gigabajtów danych pobranych podczas spotkanie Plutona w 2015 r.).

Od nowych horyzontówjest o kolejny miliard mil dalej niż Pluton i minęły jeszcze 3 lata, dla (małego) nadajnika jest mniej energii, a sygnały są znacznie słabsze. Szybkość transmisji wynosi około 1000 bitów na sekundę, więc 50 gigabitów do przesłania zajmie 50e9 bitów / 1000 bitów na sekundę = 50 000 000 sekund lub około 579 dni. Konwersja (z grubsza) na miesiące przez podzielenie przez 365,25 i pomnożenie przez 12 pokazuje, że rzeczywiście zajmie to około 19-20 miesięcy, aby wszystko przesłać z powrotem. Pierwszy obraz o rozdzielczości około 300 metrów na rozdzielczość jednego piksela, a więc około 100 pikseli na 30 km KBO, powinien zostać odebrany 1 stycznia 2019 r. Oczekuje się, że drugi obraz o wyższej rozdzielczości i około 300 pikseli na KBO zostanie pobrany do 2 stycznia 2019 r. 2 stycznia 2019 r. Odbędzie się konferencja prasowa, kiedy zdjęcia te zostaną udostępnione i pokazane.Wpis na blogu Planetary Society Emily Lakdawalla )

Po wstępnym pobraniu danych oczekują wykonania analizy, aby zobaczyć, które obrazy mają najlepsze dane z MU69 2014 w ramce. Biorąc pod uwagę niepewność pozycji MU69 2014 i wysoką szybkość spotkania, musieli oni kręcić paski zdjęć i nie wszystkie będą zawierać cel. Dane te będą traktowane priorytetowo w łączu w dół, aby najpierw przybyły na ziemię i mogły być najpierw przeanalizowane.

Jak wspomniano @ luis-g, istnieje również koniunktura słoneczna, która spowoduje 5-dniowy okres (według PI Alana Sterna w briefingu prasowym z 3 stycznia 2019 r.), Kiedy odbiór danych nie będzie możliwy. Spodziewalibyśmy się, że sytuacja powtórzy się w styczniu 2020 r., Ale ok. 10 dni nie ma większego znaczenia na czas, który jest zdominowany przez słabość odbieranego sygnału po tym, jak transmisja 15 W pokonuje ~ 4 miliardy mil i spada z powodu odwrotnego prawa kwadratowego, odpowiadającego niskiemu przepływowi dozwolonemu przez potrzeba dekodowania przesyłanych danych i ilości danych do przesłania.

Druga odpowiedź wspomina o tym, ale daje to nieco więcej teorii, dlaczego .

Jest to skutecznie z tego samego powodu, dla którego Twój telefon lub Wi-Fi nie działają tak dobrze i zwalniają, gdy są daleko od hotspotu lub nie mogą uzyskać wyraźnej linii dostępu do wieży komórkowej, bardziej znanej jako „mało” słupki ”: sygnał słabnie, w wyniku czego stosunek sygnału do szumu (SNR) spada.

Oznacza to, że poziom błędu - brak udanej transmisji i prawidłowego odbioru u nadawcy - wzrasta, ponieważ istnieje większe prawdopodobieństwo, że niektóre fluktuacje, takie jak inne źródła fal radiowych, takie jak gwiazdy i zjawiska astrofizyczne, lub nawet fluktuacje termiczne w samych urządzeniach odbiorczych można uznać za reprezentujące dane.

W rezultacie, aby zapewnić, że bity pomyślnie się przedostaną, muszą być przesyłane przez dłuższy czas, aby można było je lepiej odróżnić na tym hałaśliwym tle i nie były fałszywie odwracane. Im gorszy współczynnik SNR, tym dłużej trzeba nadawać, aby było jasne. Innym sposobem jest stwierdzenie, że gdy masz zaszumione tło i włączasz nadajnik, powoduje on statystyczną tendencję do wahań hałasu, gdy jego transmisje nakładają się na nie, np. Stawiając sinusoidalną wariację na górze.

Na bardzo niskich poziomach ta tendencja statystyczna jest bardzo mała, a zatem wymaga długiego czasu próbkowania, aby zebrać wystarczającą ilość danych, aby drażnić ją z dużym prawdopodobieństwem, a ponieważ nie wiesz, jakie dane z definicji nadchodzą, chcesz czegoś, co chcesz próbuję drażnić się, aby być tak przewidywalnym, jak to możliwe w czasie dokuczania, a zatem musisz wysyłać tylko jeden konkretny rodzaj sygnału w tym czasie i nie przełączać się między bitami, ograniczając przepływność do dokładnie tego czasu.

Twierdzenie matematyczne o nazwie Twierdzenie Shannona-Hartleya dokładnie to analizuje i określa dokładne granice szybkości przesyłania danych i niezawodnego słyszenia przy danym poziomie hałasu w stosunku do siły sygnału nadawczego.

Aby zrozumieć występujące tu skale przestrzenne, a tym samym dokładnie to, z czym ma się do czynienia: Twój telefon musi poradzić sobie z wieżą komórkową może 10 km dalej ... ale tutaj sondy są łatwo oddalone o ponad 6000 Gm (to 6000 miliardów metrów i czyli 600 milionów razy dalej) i oczywiście potrzebujemy bardzo dużej anteny, a ze względu na wspomniane obawy prędkość transmisji jest ograniczona, jak powiedziano, do około 1 kbit / s, przy pełnej milisekundie dla każdego transmitowanego bitu, w porównaniu do twój telefon z prędkością kilku Mbit / s lub więcej.

Połączenie w dół nieskompresowanego obrazu 8-bitowego (w skali szarości) 640x480 z prędkością 1 kbit / s zajmuje 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s lub 2,5 ks (kilosekund). Obraz 4K UHD potrzebowałby 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks na przesłanie łącza w dół lub lepszą część dnia (86,4 ks). Porównaj to z szerokopasmowym domowym połączeniem internetowym, w którym przesyłanie strumieniowe wideo 4K (do 60 klatek na sekundę, czyli cztery miliony razy szybciej) sprowadza się z łatwością. (DODAJ UWAGA: jak wspomniano w komentarzach, to ostatnie porównanie może nie być całkowicie dokładne, ponieważ istnieje również znaczna (stratna) kompresja w „prawdziwych” strumieniach 4K lub dowolnych internetowych strumieniach wideo w tym zakresie, co jest niedopuszczalne dane naukowe o wysokiej wierności, które w najlepszym przypadku mogą wykorzystywać wyłącznie kompresję bezstratną, aby nie wprowadzać niepotrzebnych błędów.

Jednak nawet bez kompresji Twoje zazwyczaj przyzwoite połączenie internetowe o szybkości 100 Mbit / s nadal byłoby w stanie przesłać w dół może około 1-2 klatki wideo na sekundę, co wciąż wystarcza, aby postrzegać coś zrozumiałego jako ruch, choć znacznie spowolniony i przyrostowy, i znacznie wyższa niż osiągnięta tutaj szybkość przesyłania danych z nieco więcej niż jednej klatki dziennie).

Jest to również jeden z powodów, dla których eksploracja Marsa byłaby w znacznym stopniu wspierana i zaproponowano użycie robotyki teleobecności kontrolowanej z ludzkiej bazy blisko, ale na orbicie planety.

DODAJ: Dokładniej, odległość do 2014 MU ₆₉ wynosi około 6600 Gm.

Oprócz niskiej prędkości transmisji danych (wyjaśnionej w odpowiedzi astrosnappera ), myślę, że warto zauważyć, że Nowe Horyzonty wejdą w koniunkcję słoneczną w przyszłym tygodniu, co oznacza, że ​​nie będziemy w stanie odbierać żadnych transmisji z powodu Słońca blokując je.
Nie wiem, ile razy to się stanie w ciągu tych 24 miesięcy, ale jest to dodatkowy powód długiego (e) oczekiwania.

Źródło: NASA News Conference [ 42:18 ]

Wystarczy spojrzeć na pewne rzeczy:

1. Nowe Horyzonty są naprawdę daleko od Ziemi.

W momencie najbliższego podejścia Nowe Horyzonty znajdowały się w odległości ponad 6 600 000 000 kilometrów od Ziemi. To około 6 godzin świetlnych. A statek kosmiczny dalej się rozwija o około 14 kilometrów na sekundę.

2. Transmisje z dalszej odległości są słabsze.

Prawo odwrotnego kwadratu mówi, że natężenie takich rzeczy, jak sygnały radiowe i źródła światła (energia na jednostkę powierzchni prostopadłą do źródła) jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości. Oznacza to, że podwojenie odległości powoduje, że otrzymujemy tylko jedną czwartą energii.

3. Nowe Horyzonty mają tyle mocy do pracy .

Sonda jest napędzana przez pojedynczy RTG (generator termoelektryczny radioizotopowy), który zawiera ~ 11 kg Plutonu-238. W momencie uruchomienia wytworzyło to 245 watów (przy 30 woltach prądu stałego) mocy, ale z powodu rozpadu radioaktywnego zmniejszyło się do 200 watów do czasu przelotu Plutona w lipcu 2015 r., A następnie do 190 watów do stycznia Przelot MU69 2019.

Do transmisji danych ma antenę antenową o wysokim zysku 2,1 metra, antenę antenową o średnim zysku 30 cm i dwie szerokopasmowe anteny o niskim zysku. Wiązka o dużym wzmocnieniu ma szerokość 0,3 stopnia, a wiązka o średnim wzmocnieniu ma szerokość 4 stopni (stosowane w sytuacjach, gdy celowanie może nie być tak dokładne). System radiowy New Horizon jest zasilany przez TWTA (Traving Wave Tube Amplifier), który zużywa 12 watów. (To mniej więcej tak samo jak nowoczesna żarówka CFL !)

W rzeczywistości istnieją dwie TWTA dotyczące redundancji; jeden z polaryzacją kołową po lewej stronie, a drugi z polaryzacją kołową po prawej stronie. Po uruchomieniu wymyślili sztuczkę polegającą na jednoczesnym korzystaniu z obu TWTA, co zwiększyło szybkość przesyłania danych o 1,9 razy. Użyli tego trybu dwóch TWTA, aby szybciej odzyskać wszystkie dane z przelotu Plutona .

4. Istnieje limit czułości anten na Ziemi.

Mimo że nasłuchujemy transmisji New Horizon za pomocą ogromnych 70-metrowych anten antenowych z Deep Space Network , przychodzi moment, w którym zaczyna być trudno dostrzec sygnał wśród morza białego szumu i innych zakłóceń, ponieważ sygnał jest tak słaby .

Oto 70-metrowe danie z Madrytu. Trudno jest zrobić o wiele lepiej niż to.

5. Tak więc prędkość łącza w dół musi być ograniczona z powodu bardzo słabego sygnału.

Jak wyjaśniono w odpowiedzi The_Sympathizer , stosunek sygnału do szumu zmniejsza się, gdy sygnał staje się słabszy, dlatego musisz przesyłać dane wolniej, aby upewnić się, że otrzymane dane są poprawne.

NASA ma schludną interaktywną stronę, która pokazuje, co robi teraz każda antena w DSN. Oto zrzut ekranu z 3 stycznia 2019, 01:11 UTC:

Jak widać, sygnał odbierany przez tę antenę z New Horizons ma tylko 1,29E-18 W. To 1,29 attowatów. To bardzo słabe.

Tak więc, w wyniku słabego sygnału, wygląda na to, że ludzie z NASA postanowili ograniczyć szybkość łącza w dół około 1000 bitów na sekundę (125 bajtów na sekundę), jako optymalną równowagę między integralnością danych a prędkością łącza w dół.

Dla porównania, strona główna https://google.ca (gdy nie jesteś zalogowany) ma pojemność około 1 MB. Tak więc, jeśli spróbujesz otworzyć stronę główną Google z prędkością łącza w dół Nowe Horyzonty, pełne załadowanie strony zajmie więcej niż 2 godziny .

6. Jest dużo danych.

New Horizons był zajęty podczas przelotu. Zebrano około 50 gigabajtów danych (6 GB). Tak więc przy 1000 bitach na sekundę, z włączaniem i wyłączaniem ( wskazana przez Luisa G. koniunktura słoneczna również na krótko opóźni transfer danych), przesłanie pełnego zestawu danych przelotowych Ultima zajmie około 20 miesięcy powrót na Ziemię.

Dla porownania:

• Podczas przelotu Plutona w lipcu 2015 r. Prędkość pobierania łącza wynosiła około 2000 bitów na sekundę, a pobranie wszystkich 55 gigabitów (7 GB) danych Pluto zajęło około 15 miesięcy.
• Podczas przelotu Jowisza w lutym 2007 r. Prędkość łącza w dół wynosiła około 38 000 bitów na sekundę.

Dalsza lektura: Oto interesujące powiązane pytanie: Jak obliczyć szybkość transmisji danych Voyager 1?