Почему передача изображения из New Horizons на Землю занимает так много времени?

Я только что получил известие, что космический зонд New Horizons прошел мимо какой-то отдаленной планеты на краю солнечной системы.

Я был удивлен, что парень из НАСА говорит, что нам может потребоваться 24 месяца, чтобы получить фотографию этой планеты.

Солнечная система не такая большая, верно? Это медленно, потому что передача сигнала медленная, верно? Но почему передача такая медленная?

Новые горизонты только что прошли объект пояса Койпера (KBO) 2014 MU69, также известный как Ultima Thule. КБО образуют пояс астероидов (пояс Койпера) с орбиты Нептуна, из которых Плутон является крупнейшим членом Пояса. Во время встречи с Ultima Thule все 7 инструментов на New Horizons собирали данные (хотя и не все одновременно), и ожидается, что общее количество собранных данных составит около 50 гигабит данных (по сравнению с 55 гигабитами данных, полученными во время встреча с Плутоном в 2015 году).

С Новых Горизонтовпримерно на миллиард миль дальше, чем был Плутон, и прошло еще 3 года, для (крошечного) передатчика меньше энергии, а сигналы намного слабее. Скорость передачи составляет около 1000 бит в секунду, поэтому для передачи 50 гигабит необходимо 50e9 бит / 1000 бит в секунду = 50 000 000 секунд или около 579 дней. Преобразование (приблизительно) в месяцы путем деления на 365,25 и умножения на 12 показывает, что на передачу всей информации потребуется около 19-20 месяцев. Первое изображение с разрешением около 300 метров на пиксель и, следовательно, около 100 пикселей на 30-километровом КБО, должно быть получено 1 января 2019 года. Ожидается, что второе изображение с более высоким разрешением около 300 пикселей на КБО будет загружено к 2019 году 2 января. 2 января 2019 года состоится пресс-конференция, когда эти изображения должны быть выпущены и показаны.Запись Эмили Лакдаваллы в блоге Планетарного общества )

После первоначальной загрузки данных они ожидают провести некоторый анализ, чтобы увидеть, какие изображения имеют лучшие данные с 2014 MU69 в кадре. Учитывая неопределенность в положении MU69 2014 года и высокую скорость столкновения, им пришлось снимать полосы изображений и не все будут содержать цель. Эти данные будут иметь приоритет в нисходящей линии связи, поэтому они сначала поступают на землю и могут быть проанализированы первыми.

Как упомянуто @ luis-g, существует также солнечное соединение, которое будет вызывать 5-дневный период (согласно PI Alan Stern на брифинге для прессы 3 января 2019 года), когда получение данных будет невозможно. Мы ожидаем, что это произойдет в январе 2020 года, но эти ок. 10 дней не имеют большого значения для затраченного времени, в котором преобладает слабость принятого сигнала после того, как передача 15 Вт проходит ~ 4 миллиарда миль и падает из-за закона обратных квадратов, соответствующего низкого битрейта, допускаемого необходимо, чтобы передаваемые данные были декодируемыми и объем данных для передачи.

Другой ответ упоминает об этом, но это дает немного больше теории о том, почему .

Это фактически по той же причине, по которой ваш телефон или Wi-Fi не работают так же хорошо и замедляются, когда они находятся далеко от точки доступа или не могут получить четкую линию доступа к вышке сотовой связи, более известную как "мало бары ": сигнал становится слабее и в результате отношение сигнал / шум (SNR) снижается.

Это означает, что частота ошибок - неспособность успешно передать бит и получить его правильно у отправителя - возрастает, потому что существует большая вероятность того, что некоторые флуктуации, такие как другие источники радиоволн, такие как звезды и астрофизические явления, или даже тепловые флуктуации внутри самих приемных устройств могут быть приняты за представление данных.

В результате, чтобы обеспечить успешное прохождение битов, они должны быть переданы в течение более длительного времени, чтобы их можно было более четко различить на этом шумном фоне и не поддаваться резкому отражению. Чем хуже SNR, тем дольше вам нужно передавать, чтобы прояснить ситуацию. Другой способ сказать, что когда у вас шумный фон, и вы включаете передатчик, он создает статистический уклон в флуктуациях шума, когда его передачи накладываются на них, например, помещая синусоидальную вариацию сверху.

На очень низких уровнях это статистическое отклонение очень мало и, следовательно, требуется большое время выборки, чтобы собрать достаточно данных, чтобы выявить их с высокой вероятностью, и, поскольку вы не знаете, какие данные поступают к вам по определению, вам нужна вещь, которую вы Вы пытаетесь дразнить, чтобы быть как можно более предсказуемым в течение времени дразнить, и, таким образом, вы должны посылать только один конкретный тип сигнала в течение этого времени и не переключаться между битами, ограничивая скорость передачи битов именно этим временем.

Математическая теорема, называемая теоремой Шеннона-Хартли, анализирует это точно и дает точные границы того, насколько быстро вы можете передавать данные и при этом надежно слышать их при заданном уровне шума относительно силы передаваемого сигнала.

Для понимания пространственных масштабов, используемых здесь, и, следовательно, именно того, с чем вы столкнулись: ваш телефон должен иметь дело с сотовой вышкой, возможно, на расстоянии 10 км ... но здесь зонды легко находятся на расстоянии более 6000 Гм (это 6000 миллиардов метров и таким образом, 600 миллионов раз дальше), и, естественно, нам нужна очень большая антенна, и из-за только что упомянутых проблем скорость передачи ограничена, как сказано, около 1 кбит / с, что занимает полную миллисекунду для каждого передаваемого бита, по сравнению с ваш телефон на несколько Мбит / с или более.

Для передачи по нисходящей линии связи несжатого 8-битного (в оттенках серого) изображения 640x480 при скорости 1 кбит / с требуется 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 с или 2,5 кс (килосекунды). Для изображения с разрешением 4K UHD потребуется 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 кс для нисходящей линии связи или лучшая часть дня (86,4 кс). Сравните это с вашим широкополосным внутренним интернет-соединением, где потоковое видео 4K (до 60 кадров в секунду, то есть в четыре миллиона раз быстрее) легко отключается. (ДОБАВЬТЕ ПРИМЕЧАНИЕ: как упомянуто в комментариях, это последнее сравнение может быть не совсем точным, поскольку также имеется значительное сжатие (с потерями) в «реальных» потоках 4K или любых видеопотоках в Интернете по этому вопросу, что неприемлемо для высококачественные научные данные, которые в лучшем случае могут использовать только сжатие без потерь, чтобы не вносить ненужных ошибок.

Однако даже без сжатия ваше типичное приличное подключение к Интернету со скоростью 100 Мбит / с будет по-прежнему поддерживать нисходящую связь, возможно, примерно 1-2 кадра видео в секунду, что все еще достаточно для восприятия чего-то понятного как движения, хотя и сильно замедленного и инкрементного, намного выше, чем достигнутые здесь скорости передачи данных - чуть больше одного кадра в день.)

Это также одна из причин, по которой марсианские исследования будут в значительной степени поддерживаться, и было предложено использовать робототехнику телеприсутствия, управляемую с человеческой базы вблизи, но на орбите планеты.

ДОБАВИТЬ: Точнее, расстояние до 2014 года MU ₆₉ составляет около 6600 Гм.

Помимо медленной скорости передачи данных (объясняется в ответе астроснаппера ), я думаю, что стоит отметить, что Новые горизонты войдут в солнечное соединение на следующей неделе, а это означает, что мы не сможем получать какие-либо передачи от него из-за Солнца блокируя их.
Я не знаю, сколько раз это произойдет за эти 24 месяца, но это дополнительная причина для долгого (э) ожидания.

Источник: пресс-конференция НАСА [ 42:18 ]

Просто чтобы взглянуть на вещи:

1. Новые горизонты действительно далеко от Земли.

В момент ближайшего сближения «Новые горизонты» находились на расстоянии более 6 600 000 000 километров от Земли. Это около 6 световых часов. И космический корабль продолжает продвигаться примерно на 14 километров в секунду.

2. Передачи издалека слабее.

Закон обратных квадратов гласит, что интенсивность таких вещей, как радиосигналы и источники света (энергия на единицу площади, перпендикулярной источнику) обратно пропорциональна квадрату расстояния. Это означает, что удвоение расстояния приводит к тому, что мы получаем только четверть энергии.

3. У New Horizons есть только такая мощь, с которой можно работать .

Космический аппарат приводится в действие одним РИТЭГом (радиоизотопным термоэлектрическим генератором), который содержит ~ 11 кг плутония-238. При запуске это вырабатывало 245 Вт (при 30 В постоянного тока) мощности, но из-за радиоактивного распада оно уменьшилось до 200 Вт к моменту пролета Плутона в июле 2015 года и далее до 190 Вт к январю 2019 MU69 облет.

Для передачи данных она имеет антенну с высоким коэффициентом усиления 2,1 метра, антенну со средним коэффициентом усиления 30 сантиметров и две широкополосные антенны с низким коэффициентом усиления. Луч с высоким коэффициентом усиления имеет ширину 0,3 градуса, а луч среднего усиления - шириной 4 градуса (используется в ситуациях, когда наведение может быть не столь точным). New Horizon в радиосистема питается от TWTA (ЛБВ усилитель), который потребляет 12 Вт. (Это примерно так же, как современная лампочка КЛЛ !)

На самом деле есть два TWTA для резервирования; один с левой круговой поляризацией и один с правой круговой поляризацией. После запуска они нашли способ использовать оба TWTA одновременно, что увеличило скорость передачи данных в 1,9 раза. Они использовали этот режим с двумя TWTA, чтобы быстрее получить все данные из пролета Плутона .

4. Есть предел чувствительности антенн на Земле.

Несмотря на то, что мы слушаем передачи New Horizon с использованием огромных 70-метровых тарелочных антенн от Deep Space Network , наступает момент, когда становится трудно различить сигнал среди моря белого шума и других помех, потому что сигнал очень слабый ,

Вот 70-метровое блюдо из Мадрида. Трудно сделать намного лучше, чем это.

5. Таким образом, скорость нисходящей линии связи должна быть ограничена из-за очень слабого сигнала.

Как уточняется в ответе The_Sympathizer , отношение сигнал / шум становится ниже, когда сигнал становится более тусклым, и поэтому вам нужно передавать данные медленнее, чтобы убедиться, что полученные вами данные верны.

НАСА имеет удобную интерактивную страницу, которая показывает, что сейчас делает каждая антенна в DSN. Вот скриншот от 3 января 2019 года, 01:11 UTC:

Как вы можете видеть, сигнал, который это блюдо получает от New Horizons, имеет мощность всего 1,29E-18 Вт. Это 1,29 аттаватт. Это очень слабо.

Таким образом, в результате слабого сигнала создается впечатление, что сотрудники NASA решили ограничить скорость нисходящей линии связи примерно 1000 бит / с (125 байтов в секунду), что является оптимальным балансом между целостностью данных и скоростью нисходящей линии.

Для сравнения: домашняя страница https://google.ca (если вы не вошли в систему) занимает около 1 МБ. Таким образом, если вы попытаетесь открыть домашнюю страницу Google со скоростью нисходящей ссылки New Horizons, для полной загрузки страницы потребуется более 2 часов .

6. Данных много.

Новые Горизонты были заняты во время пролета. Было собрано около 50 гигабит данных (6 ГБ). Таким образом, при скорости 1000 бит / с при включении и выключении ( солнечное соединение, на которое указал Луис Г., также ненадолго задержит передачу данных), потребуется около 20 месяцев для отправки полного набора данных облетов Ultima. вернуться на Землю.

Для сравнения:

• Во время пролета Плутона в июле 2015 года скорость нисходящей линии была около 2000 бит в секунду, и для загрузки всех 55 гигабит (7 ГБ) данных Плутона потребовалось около 15 месяцев.
• Во время пролета Юпитера в феврале 2007 года скорость нисходящего канала составляла около 38 000 бит в секунду.

Далее: Вот интересный связанный вопрос: Как рассчитать скорость передачи данных Voyager 1?