Чому передача зображення з Нових горизонтів на Землю займає так багато часу?

Щойно я отримав звістку про Нові горизонти космічний зонд " " пройшов повз якусь віддалену планету на краю Сонячної системи.

Мене здивувало, що хлопець з НАСА каже, що нам може знадобитися 24 місяці, щоб отримати фотографії цієї планети.

Сонячна система не така велика, правда? Це повільно, оскільки передача сигналу повільна, правда? Але чому передача така повільна?

Нові горизонти щойно пройшли об’єкт поясу Койпера (KBO) 2014 року MU69 також відомий як Ultima Thule. КБО утворюють пояс астероїдів (пояс Койпера) від орбіти Нептуна назовні, і Плутон є найбільшим членом пояса. Під час зустрічі з Ultima Thule всі 7 інструментів New Horizons збирали дані (хоча і не всі одночасно), і загальна кількість зібраних даних, як очікується, становитиме близько 50 гігабітів даних (порівняно з 55 гігабітами даних, знятих протягом зустріч з Плутоном у 2015 році).

З тих пір Нових обріївце приблизно ще мільярд миль далі, ніж був Плутон, і пройшло ще 3 роки, менше енергії для (крихітного) передавача і сигнали значно слабкіші. Швидкість передачі бітів становить близько 1000 біт на секунду, і тому 50 гігабіт для передачі цього знадобиться 50е9 біт / 1000 біт на секунду = 50 000 000 секунд або приблизно 579 днів. Перетворення (орієнтовно) на місяці шляхом ділення на 365,25 та множення на 12 показує, що передати все назад потрібно буде приблизно 19-20 місяців. Перше зображення з роздільною здатністю приблизно 300 метрів на піксель і приблизно 100 пікселів на 30 км КБО повинно бути отримане в 2019 році. Прес-конференція відбудеться 2 січня 2019 року, коли ці зображення мають бути випущені та показані.Запис про блог планетарного суспільства Емілі Лакдавалли )

Після початкового завантаження даних вони очікують зробити деякий аналіз, щоб побачити, які зображення мають найкращі дані з 2014 MU69 у кадрі. Враховуючи невизначеність позиції MU69 2014 року та високу швидкість зустрічі, їм довелося знімати смужки зображень, і не всі будуть містити ціль. Ці дані матимуть пріоритет у низхідній лінії зв'язку, тому вони спочатку надходять на місцевості та можуть бути проаналізовані першими.

Як зазначає @ luis-g, існує також Сонячна сполука, яка спричинить 5-денний період (згідно з повідомленням П.І. Алана Стерна в прес-брифінгу 2019 року 3 січня), коли отримання даних буде неможливим. Ми очікуємо, що це повториться в січні 2020 року, але ці прибл. 10 днів не мають великої різниці за час, який переважає слабкість прийнятого сигналу після того, як передача потужністю 15 Вт пройде ~ 4 мільярди миль і випаде через закону зворотного квадрата, відповідного низького бітрейта, дозволеного необхідно, щоб передані дані були декодируемими і кількість даних для передачі.

Інша відповідь згадує це, але це дає трохи більше теорії щодо того, чому .

Це ефективно з тієї ж причини, що ваш телефон або Wi-Fi працюють не так добре і сповільнюються, коли вони знаходяться далеко від точки доступу або не можуть отримати чітку лінію доступу до стільникової башти, більш відому як "мало бари ": сигнал слабшає, і в результаті відношення сигнал / шум (SNR) знижується.

Це означає, що частота помилок - невдача успішно передати біт і правильно її отримати у відправника - зростає, оскільки більша ймовірність того, що деякі коливання, як і інші джерела радіохвиль, такі як зірки та астрофізичні явища, або навіть теплове коливання в самих приймальних пристроях може сприйматися як представлення даних.

Як результат, щоб переконатися, що біти успішно проробляють їх, вони повинні передаватися довший час, щоб їх можна було чіткіше розрізнити на цьому галасливому тлі і не було шалено перевернуто. Чим бідніший SNR, тим довше вам потрібно передати, щоб зробити це зрозумілим. Ще один спосіб сказати, що коли у вас є шумний фон, і ви включаєте передавач, він створює статистичний зміщення коливань шуму, коли його передачі накладаються на них, наприклад, ставлячи синусоїдальну варіацію зверху.

На дуже низьких рівнях цей статистичний ухил дуже малий, і тому потрібен тривалий час вибірки, щоб зібрати достатню кількість даних, щоб обробляти їх з високою ймовірністю, і оскільки ви не знаєте, які дані надходять до вас за визначенням, ви хочете, що вам потрібно Ви намагаєтеся дражнити бути якомога більш передбачуваним протягом часу дражніння, і, таким чином, ви повинні надсилати лише один конкретний тип сигналу протягом цього часу, а не перемикатися між бітами, обмежуючи швидкість передачі бітів саме до цього часу.

Математична теорема під назвою теорема Шеннона-Хартлі аналізує це точно та дає точні межі того, наскільки швидко ви можете передавати дані, і все-таки надійно чути її над заданим рівнем шуму відносно сили передаючого сигналу.

Для розуміння просторових масштабів, які тут задіяні, і, отже, саме проти чого: ваш телефон має справу з стільниковою вежею, можливо, за 10 км ... але тут зонди легко за 6000 Гм (це 6000 мільярдів метрів і так що 600 мільйонів разів далі), і, природно, нам потрібна дуже велика антена, і через щойно згадані занепокоєння швидкість передачі обмежена, як було сказано, приблизно 1 кбіт / с, беручи повний мілісекунд на кожен переданий біт, проти Ваш телефон зі швидкістю декількох Мбіт / с або більше.

Для низхідної лінії 8-бітової (шматки сірого) зображення 640x480 зі швидкістю 1 кбіт / с потрібно 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 с або 2,5 кс (кілосекунд). Зображення 4K UHD займе 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 кс за низхідною лінією, або кращу частину дня (86,4 кс). Порівняйте це з вашим широкосмуговим домашнім підключенням до Інтернету, де передача 4K відео (до 60 кадрів в секунду, тобто чотири мільйони разів швидше) йде легко. (ДОДАТИ ПРИМІТКА: як зазначено в коментарях, це останнє порівняння може бути не зовсім точним, оскільки також існує значна кількість (втрачається) стиснення на "реальних" 4K потоках або будь-яких Інтернет-потоках відео з цього питання, що неприпустимо для високоточні наукові дані, які в кращому випадку можуть використовувати чисто стиснення без втрат, щоб не вводити зайвих помилок.

Однак, навіть не маючи компресії, ваш типово пристойний 100-Мбіт / с Інтернет-з'єднання все одно зможе пройти вниз по каналу, можливо, приблизно 1-2 кадри відео в секунду, що ще достатньо, щоб сприйняти щось зрозуміле як рух, хоча і сильно уповільнене та наростаюче, і набагато вища, ніж швидкість передачі даних, досягнута тут трохи більше одного кадру на день.)

Це також є однією з причин того, що марсіанським розвідкам було б суттєво допомогти, і було запропоновано використовувати телевізійну робототехніку, керовану з людської бази поблизу, але на орбіті планети.

ДОДАТИ: Точніше, відстань до 2014 року MU ₆₉ становить приблизно 6600 Гм.

На додаток до повільної швидкості передачі даних (пояснюється у відповіді astrosnapper ), я вважаю, що варто зазначити, що "Нові горизонти" увійдуть у сонячну кон'юнкцію на наступному тижні, це означає, що ми не зможемо отримувати передачі від неї через Сонце блокуючи їх.
Я не знаю, скільки разів це станеться за ці 24 місяці, але це додаткова причина довгого (ер) очікування.

Джерело: News News Conference [ 42:18 ]

Просто для погляду на речі:

1. Нові горизонти дійсно далеко від Землі.

У момент найближчого наближення Нові горизонти знаходилися на відстані понад 6 600 000 000 кілометрів від Землі. Це близько 6 світлових годин. А космічний корабель продовжує діставатися далі приблизно на 14 кілометрів в секунду.

2. Передачі від далекіших слабкіші.

Закон оберненого квадрата стверджує, що інтенсивність таких речей, як радіосигнали та джерела світла (енергія на одиницю площі, перпендикулярна джерелу), обернено пропорційна квадрату відстані. Це означає, що подвоєння відстані призводить до того, що ми отримуємо лише чверть енергії.

3. Нові горизонти мають стільки сил для роботи .

Космічний апарат працює від одного RTG (радіоізотопного термоелектричного генератора), який містить ~ 11 кг Плутонію-238. На старті це виробило 245 Вт (при 30 вольтах постійного струму) потужності, але через радіоактивний розпад це зменшилося до 200 Вт до моменту прольоту літака 2015 року в Плутоні і далі до 190 Вт до січня 2019 MU69 flyby.

Для передачі даних у нього є антена з високим коефіцієнтом посилення діаметром 2,1 метра, антена із середньою потужністю діаметром 30 сантиметрів та дві широкопроменеві антени з низьким коефіцієнтом посилення. Промінь з високим коефіцієнтом посилення шириною 0,3 градуса, а промінь середнього посилення - шириною 4 градуси (застосовується в ситуаціях, коли вказівка ​​може бути не такою точною). New Horizon в радіосистема харчується від TWTA (ЛБХ підсилювач), який споживає 12 Вт. (Це приблизно те саме, що і сучасна лампочка CFL !)

Насправді є дві TWTA для надмірності; один з правою круговою поляризацією та один з правою круговою поляризацією. Після запуску вони придумали хитрість використовувати обидва TWTA одночасно, що збільшило швидкість передачі даних у 1,9 рази. За допомогою цього режиму два-TWTA вони швидше повертали всі дані з прольоту Плутона .

4. Існує межа, наскільки чутливими можуть бути антени на Землі.

Незважаючи на те, що ми слухаємо передачі New Horizon за допомогою величезних 70-метрових антен з глибокої космічної мережі , настає момент, коли йому стає важко розпізнати сигнал серед моря білого шуму та інших перешкод, оскільки сигнал настільки слабкий .

Ось 70-метрове блюдо з Мадрида. Важко зробити це набагато краще, ніж це.

5. Отже, швидкість низхідній лінії зв'язку повинна бути обмежена через дуже слабкий сигнал.

Як описано у відповіді The_Sympathizer , співвідношення сигнал / шум зменшується, коли сигнал стає слабшим, і тому вам доведеться передавати дані повільніше, щоб переконатися, що отримані вами дані є правильними.

У NASA є акуратна інтерактивна сторінка, на якій показано, що зараз робить кожна антена в DSN. Ось скріншот від 3 січня 2019 року, 01:11 UTC:

Як бачите, сигнал, який ця страва отримує від New Horizons, має потужність лише 1,29E-18 Вт. Це 1,29 атт. Це вкрай слабко.

Отже, внаслідок слабкого сигналу схоже, що люди NASA вирішили обмежити швидкість низхідній лінії зв'язку приблизно в 1000 біт на секунду (125 байт в секунду), як оптимальний баланс між цілісністю даних та швидкістю низхідній лінії зв'язку.

Для порівняння, https://google.ca домашня сторінка (коли ви не ввійшли в систему) становить близько 1 Мб. Отже, якщо ви спробували відкрити домашню сторінку Google зі швидкістю по низхідній лінії "New Horizons", для завантаження сторінки знадобиться понад 2 години .

6. Даних багато.

Нові горизонти були зайняті під час прольоту. Він зібрав близько 50 гігабітів даних (6 ГБ). Таким чином, при 1000 біт на секунду, увімкнення та вимкнення ( сонячна сполука, на яку вказував Луїс Г., також ненадовго затримає передачу даних), буде потрібно близько 20 місяців, щоб повний набір прохідних даних Ultima надсилався назад на Землю.

Для порівняння:

• Під час прольоту Плутона в липні 2015 року швидкість низхідній лінії зв'язку становила близько 2000 біт на секунду, і на завантаження всіх 55 гігабітів (7 ГБ) даних Плутону знадобилося близько 15 місяців.
• Під час прольоту Юпітера в лютому 2007 року швидкість низхідній лінії зв'язку становила близько 38 000 біт на секунду.

Подальше читання: Ось цікаве споріднене питання: Як обчислити швидкість передачі даних Voyager 1?