Yeni Ufuklar'dan Dünya'ya bir görüntü iletmek neden bu kadar uzun sürüyor?

Yeni Ufuklar uzay sondasının, güneş sisteminin kenarındaki bazı uzak gezegenlerden geçtiği haberini aldım .

NASA'dan bir adamın bu gezegenin fotoğrafını çekmesinin bizden 24 ay alabileceğini söylediğine şaşırdım.

Güneş sistemi o kadar büyük değil, değil mi? Yavaş, çünkü sinyal iletimi yavaş, değil mi? Fakat iletim neden bu kadar yavaş?

Yeni Ufuklar, Ultima Thule olarak da bilinen Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69'u geçti . KBO'lar Neptün'ün yörüngesinden dışarı çıkan ve Pluto'nun Kemer'in en büyük üyesi olduğu bir asteroit kuşağı (Kuiper Kuşağı) oluşturur. Ultima Thule ile yapılan görüşmelerde, Yeni Ufuklar'daki 7 cihazın hepsinde veri toplanıyordu (hepsi aynı anda olmasa da) ve toplanan toplam verilerin yaklaşık 50 gigabit veri olması bekleniyordu (sırasında 55 gigabit veri ile karşılaştırıldığında). Pluto 2015 yılında karşılaşır.

Yeni Ufuklardan beriPluto'dan 3 mil daha ileride ve 3 yıl daha geçti, (küçük) verici için daha az güç var ve sinyaller çok daha zayıf. Bit hızı saniyede yaklaşık 1000 bittir ve bu yüzden bunu iletmek için 50 gigabit, saniyede 50e9 bit / 1000 bit alacaktır = 50,000,000 saniye veya yaklaşık 579 gün. 365.25 bölerek (kabaca) aylara dönüştürmek ve 12 ile çarpmak, her şeyin geri iletilmesinin gerçekten de 19-20 ay alacağını gösteriyor. İlk piksel çözünürlüğü başına yaklaşık 300 metre ve böylece 30 km KBO'da yaklaşık 100 piksel olan ilk görüntünün 2019 Ocak 1'de alınması gerekir. Bu resimlerin yayınlanıp gösterilmesi gerektiğinde 2019 Ocak 2 tarihinde bir basın toplantısı düzenlenecektir.Emily Lakdawalla'nın Planet Derneği blog girişi )

İlk veri indirme işleminden sonra, çerçevede 2014 MU69 ile hangi görüntülerin en iyi verilere sahip olduğunu görmek için bazı analizler gerçekleştirmeyi bekliyorlar. 2014 MU69 pozisyonundaki belirsizlik ve karşılaşmanın yüksek hızı göz önüne alındığında, görüntü şeritleri çekmek zorunda kaldılar ve hepsi hedefi içermeyecek. Bu verilere downlink'te öncelik verilecek, böylece önce yere ulaşacak ve önce analiz edilebilecektir.

@ Luis-g tarafından belirtildiği gibi, verilerin alınması mümkün olmadığında 5 günlük süreye (2019 Ocak 3 basın brifingindeki PI Alan Stern'e göre) neden olacak Güneş birleşimi de vardır. Bunun Ocak 2020'de yeniden gerçekleşmesini bekleriz, ancak bunlar yaklaşık. 10 gün, 15W aktarım ~ 4 milyar milden geçtikten ve alınan kare kare nedeniyle düşmekte olan ters kare yasası nedeniyle düştükten sonra alınan sinyalin zayıflığının egemen olduğu zaman arasında büyük bir fark yaratmaz. iletilen verinin kodunu çözebilir ve aktarılacak veri miktarına sahip olması gerekir.

Diğer cevap o bahseder, ancak bu şekilde biraz daha teori verir neden .

Aynı nedenden ötürü, telefonunuzun veya Wi-Fi'nin iyi çalışmadığı ve sıcak noktadan uzakta olduklarında yavaşladıkları ya da daha az yaygın olarak bilinen "az sayıda" olarak bilinen hücre kulesine açık bir erişim hattı alamadıkları için aynı şekilde etkilidir. barlar ": sinyal zayıflar ve bunun sonucunda sinyal-gürültü oranı (SNR) düşer.

Bu, hata oranının - bir iletiyi başarıyla iletememesi ve göndericide doğru şekilde almasını sağlaması anlamına gelir - çünkü yıldızlar ve astrofiziksel olaylar gibi diğer radyo dalgaları kaynakları gibi bazı dalgalanmaların veya alıcı cihazların kendi içlerindeki termal dalgalanmalar bile, verileri temsil eden olarak alınabilir.

Sonuç olarak, bitlerin başarıyla gerçekleştirildiğinden emin olmak için, daha uzun bir süre boyunca iletilmeleri gerekir, böylece bu gürültülü arka plan üzerinde daha net bir şekilde ayırt edilebilirler ve sahte bir şekilde döndürülmezler. SNR ne kadar zayıf olursa, netleştirmek için o kadar uzun süre iletmeniz gerekir. Söylemenin bir başka yolu, gürültülü bir arka plana sahip olduğunuzda ve vericiyi açtığınızda, ses dalgalarının dalgalanmalarında istatistiksel bir önyargı yaratmasıdır; yayınları üzerlerine bindiğinde, örneğin üstüne sinüzoidal bir varyasyon koyarak.

Çok düşük seviyelerde, bu istatistiksel önyargı çok küçüktür ve bu nedenle, yüksek olasılıkla ortaya çıkarmak için yeterli veri toplamak için uzun bir örnekleme süresi gerektirir ve tanımlamanın hangi veriyi tanımladığını bilmediğiniz için 'alay zamanı boyunca mümkün olduğu kadar öngörülebilir olmaya çalışmaya çalışıyor ve bu nedenle o zaman boyunca yalnızca belirli bir sinyal türü gönderiyor olmanız ve bitler arasında geçiş yapmamanız, bit hızını tam olarak bu süreye sınırlandırmanız gerekiyor.

Shannon-Hartley Teoremi denilen matematiksel bir teorem bunu tam olarak analiz eder ve veriyi ne kadar hızlı iletebildiğinize ilişkin kesin sınırları verir ve hala, iletici sinyalin gücüne göre belirli bir gürültü seviyesi üzerinde güvenilir bir şekilde duyulmasını sağlar.

Buraya dahil olan mekansal ölçeklerin anlaşılması ve dolayısıyla tam olarak neye karşı geldiğinin anlaşılması için: telefonunuz belki 10 km uzaklıktaki bir hücre kulesiyle uğraşmak zorunda ... ama burada problar kolayca 6000 Gm'den daha uzakta (bu 6000 milyar metre ve yani 600 milyon kez daha ileride) ve doğal olarak çok büyük bir antene ihtiyacımız var ve az önce bahsedilen endişelerden dolayı aktarım hızı, söylendiği gibi, yaklaşık 1 kbit / s ile sınırlandırılmış her bit için tam bir milisaniyeyi alarak Telefonunuz birkaç Mbit / s veya daha fazlasında.

Sıkıştırılmamış 8-bit (gri tonlamalı) 640x480 görüntüyü 1 kbit / s hızında indirmek için 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s veya 2,5 ks (kilosaniye) alır. 4K UHD görüntü, aşağı bağlantıya veya bir günün daha iyi bir bölümüne (86.4 ks) 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks alacaktır. Bunu, 4K video akışının (saniyede 60 kareye kadar dört milyon kat daha hızlı) kolaylıkla azaldığı genişbantlı yerel İnternet bağlantınızla karşılaştırın . (EKLE NOT: yorumlarda belirtildiği gibi, bu son karşılaştırma, "gerçek" 4K akışlarında veya bu konuda kabul edilemeyen herhangi bir İnternet video akışında önemli miktarda (kayıplı) bir sıkıştırma olduğu için tam olarak doğru olmayabilir. Gereksiz hatalara yol açmayacak şekilde sadece kayıpsız sıkıştırmayı en iyi şekilde kullanabilen, yüksek kaliteli bilimsel veriler.

Bununla birlikte, sıkıştırma olmasa bile, tipik olarak iyi olan 100 Mbit / s Internet bağlantınız, saniyede yaklaşık 1-2 kare videoyu indirmeye devam edebilir; bu, büyük ölçüde yavaş ve artımlı olmasına rağmen, hareket olarak anlaşılabilir bir şeyi algılamak için yeterlidir. Burada elde edilen veri oranlarından çok daha yüksek, günde bir çerçeveden biraz fazla.)

Bu aynı zamanda, Mars'ın keşfedilmesine büyük ölçüde yardım edilmesinin sebeplerinden biri ve gezegenin yakınında, ama yörüngesinde bir insan üssünden kontrol edilen telepresence robotiklerin kullanılması önerildi.

EKLE: Daha doğru bir şekilde 2014 MU _69'a olan mesafe 6600 Gm'dir.

Yavaş veri aktarım hızının tepesinde ( astrosnapper'ın cevabında açıklandığı gibi ), gelecek hafta Güneş Ulaşımı'na girmeye başlamasının , Güneş'ten dolayı herhangi bir yayın alamayacağımız anlamına geldiğine işaret etmenin değerli olduğunu düşünüyorum. onları engelliyor.
Bu 24 ay boyunca bunun kaç kez olacağını bilmiyorum, ama uzun süre beklemek için ek bir neden.

Kaynak: NASA Haber Konferansı [ 42:18 ]

Sadece bazı şeylere bakış açısı koymak için:

1. Yeni Ufuklar Dünya'dan gerçekten çok uzaktadır.

En yakın yaklaşım anında, Yeni Ufuklar Dünya'dan 6.600.000.000 kilometreden uzaktaydı. Bu yaklaşık 6 ışık saati. Ve uzay aracı saniyede yaklaşık 14 kilometre daha da uzamaya devam ediyor.

2. Uzaktaki iletimler daha zayıf.

Ters kare kanunu radyo sinyalleri ve (kaynağına dik birim alan başına düşen enerji) ışık kaynakları gibi şeyler yoğunluğu uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunu belirtmektedir. Bu, mesafenin iki katına çıkması, enerjinin sadece dörtte birini almamızı sağlar.

3. Yeni Ufuklar yalnızca çalışacak çok fazla güce sahiptir .

Uzay aracı, ~ 11 kg Plütonyum-238 içeren tek bir RTG (radyoizotop termoelektrik jeneratörü) tarafından desteklenmektedir. Lansman sırasında, bu 245 watt (30 volt doğru akımda) güç üretti, ancak radyoaktif bozulma nedeniyle, bu, Temmuz 2015 Pluto uçuşu sırasında 200 watt'a, Ocak ayı boyunca da 190 watta düştü. 2019 MU69 uçuşu.

Veri iletimi için 2.1 metre çapında yüksek kazançlı bir çanak anten, 30 santimetre çapında bir orta kazançlı çanak anten ve iki geniş ışınlı, düşük kazançlı antene sahiptir. Yüksek kazançlı kiriş 0,3 derece genişliğinde ve orta kazançlı kiriş 4 derece genişliğindedir (işaretlemenin doğru olmadığı durumlarda kullanılır). Yeni Horizon'un radyo sistemi , 12 watt tüketen bir TWTA (Seyahat Dalga Tüpü Yükselticisi) tarafından destekleniyor. (Bu, modern bir CFL ampulüyle aynı !)

Artıklık için iki TWTA var; biri sol taraf dairesel polarizasyonlu, diğeri sol dairesel polarizasyonlu. Piyasaya sürüldükten sonra, her iki TWTA'yı aynı anda kullanmak için bir hile buldular, bu da veri aktarım hızını 1,9 kat artırdı. Bu iki TWTA modunu Pluto uçuşundan tüm verileri daha hızlı geri almak için kullandılar .

4. Dünyadaki antenlerin ne kadar hassas olabileceğinin bir sınırı vardır.

Deep Horizon Ağı'ndan 70 metrelik büyük çanak antenleri kullanarak New Horizon'un yayınlarını dinlememize rağmen , sinyal çok zayıf olduğu için beyaz gürültü ve diğer parazit denizi arasındaki sinyali ayırt etmenin zorlaştığı bir nokta var. .

İşte Madrid'den 70 metrelik bir yemek. Bundan daha iyisini yapmak zor.

5. Dolayısıyla, indirme bağlantısının hızı, zayıf sinyal nedeniyle kısıtlanmalıdır.

The_Sympathizer'ın cevabında detaylandırıldığı gibi , sinyal soluklaştığında sinyal-gürültü oranı düşer ve bu yüzden aldığınız verinin doğru olduğundan emin olmak için verileri daha yavaş iletmeniz gerekir.

NASA, DSN’deki her antenin şu anda ne yaptığını gösteren düzgün ve etkileşimli bir sayfaya sahiptir. İşte 3 Ocak 2019, 01:11 UTC'den bir ekran görüntüsü:

Gördüğünüz gibi, bu yemeğin Yeni Ufuklar'dan aldığı sinyal gücü yalnızca 1.29E-18W. Bu 1,29. Bu son derece zayıf.

Bu nedenle, zayıf sinyallerin bir sonucu olarak, NASA'daki kişilerin, veri bütünlüğü ve indirme hızı arasındaki en uygun denge olarak, indirme hızı oranını saniyede yaklaşık 1000 bit (saniyede 125 byte) sınırlamaya karar vermesi gibi görünüyor.

Bir karşılaştırma noktası olarak, https://google.ca ana sayfası (giriş yapmadığınızda) yaklaşık 1 MB’a çıkar. Bu yüzden, Google ana sayfasını New Horizons downlink hızında açmaya çalıştıysanız , sayfanın tamamen yüklenmesi 2 saatten fazla sürer .

6. Çok fazla veri var.

Yeni Ufuklar uçuş sırasında meşguldü. Yaklaşık 50 gigabit veri topladı (6 GB). Bu yüzden saniyede 1.000 bit, açık ve kapalı ( Luis G.'nin işaret ettiği güneş enerjisi bağlantısı da veri aktarımını kısaca erteleyecek), Ultima uçuş verilerinin tümünün gönderilmesi yaklaşık 20 ay sürecek. Dünyaya dönüş.

Karşılaştırma için:

• Temmuz 2015'teki Pluto uçuşu sırasında, indirme hızı saniyede yaklaşık 2,000 bit idi ve 55 gigabitin (7 GB) tüm Pluto verisinin indirilmesi yaklaşık 15 ay sürdü.
• Şubat 2007’deki Jüpiter uçuşunda, indirme hızı saniyede yaklaşık 38.000 bit idi.

Daha fazla okuma: İşte size ilginç bir soru: Voyager 1'in veri hızı nasıl hesaplanır?