Warum dauert es so lange, ein Bild von New Horizons auf die Erde zu übertragen?

Ich habe gerade die Nachricht erhalten, dass die Raumsonde New Horizons an einem entfernten Planeten am Rande des Sonnensystems vorbeigegangen ist.

Ich war überrascht, dass der Typ von der NASA sagt, dass wir 24 Monate brauchen könnten, um das Foto von diesem Planeten zu bekommen.

Das Sonnensystem ist nicht so groß, oder? Es ist langsam, weil die Signalübertragung langsam ist, oder? Aber warum ist die Übertragung so langsam?

New Horizons hat gerade das Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69 bestanden, das auch als Ultima Thule bekannt ist. KBOs bilden einen Gürtel aus Asteroiden (den Kuipergürtel), der von Neptuns Umlaufbahn nach außen verläuft und von denen Pluto das größte Mitglied des Gürtels ist. Während der Begegnung mit Ultima Thule sammelten alle 7 Instrumente auf New Horizons Daten (obwohl nicht alle zur gleichen Zeit), und die gesammelten Daten werden voraussichtlich etwa 50 Gigabit Daten betragen (verglichen mit 55 Gigabit Daten, die während aufgenommen wurden) die Pluto-Begegnung im Jahr 2015).

Seit neuen HorizontenIst eine weitere Milliarde Meilen weiter weg als Pluto und sind 3 weitere Jahre vergangen, gibt es weniger Energie für den (winzigen) Sender und die Signale sind viel schwächer. Die Bitrate beträgt ungefähr 1000 Bits pro Sekunde, und so werden die 50 Gigabit, um dies zu übertragen, 50e9 Bits / 1000 Bits pro Sekunde = 50.000.000 Sekunden oder ungefähr 579 Tage benötigen. Die Umrechnung (ungefähr) in Monate durch Teilen durch 365,25 und Multiplizieren mit 12 zeigt, dass es in der Tat 19 bis 20 Monate dauern wird, bis alles zurückgesendet ist. Das erste Bild mit einer Auflösung von ungefähr 300 Metern pro Pixel und damit ungefähr 100 Pixeln über das 30 km lange KBO sollte am 1. Januar 2019 empfangen werden. Ein zweites Bild mit einer höheren Auflösung mit ungefähr 300 Pixeln über das KBO wird voraussichtlich am 2. Januar 2019 heruntergeladen Am 2. Januar 2019 findet eine Pressekonferenz statt, bei der diese Bilder veröffentlicht und gezeigt werden sollen.Emily Lakdawallas Blog-Eintrag der Planetary Society )

Nach dem ersten Daten-Download erwarten sie eine Analyse, um festzustellen, welche Bilder mit 2014 MU69 im Frame die besten Daten aufweisen. Angesichts der Ungewissheit in Bezug auf die Position von 2014 MU69 und der hohen Geschwindigkeit der Begegnung mussten sie Bildstreifen schießen und nicht alle enthalten das Ziel. Diese Daten werden im Downlink priorisiert, damit sie zuerst am Boden eintreffen und zuerst analysiert werden können.

Wie von @ luis-g erwähnt, gibt es auch die Solar-Konjunktion, die einen Zeitraum von 5 Tagen (laut PI Alan Stern in der Pressekonferenz vom 3. Januar 2019) auslöst, wenn der Empfang der Daten nicht möglich ist. Wir erwarten, dass dies im Januar 2020 wieder vorkommen wird, aber diese rd. 10 Tage machen keinen großen Unterschied zu der Zeit, die von der Schwäche des empfangenen Signals dominiert wird, nachdem die 15W-Übertragung die ~ 4 Milliarden Meilen zurückgelegt hat und aufgrund des umgekehrten Quadratgesetzes, der entsprechend niedrigen Bitrate, die von der zulässigen ist, abfällt müssen die übertragenen Daten decodierbar sein und die zu übertragende Datenmenge.

Die andere Antwort erwähnt es, aber dies gibt ein bisschen mehr Theorie darüber, warum .

Aus dem gleichen Grund funktioniert Ihr Telefon oder Wi-Fi auch nicht so gut und wird langsamer, wenn sie sich weit vom Hotspot entfernt befinden oder keine eindeutige Zugangslinie zum Mobilfunkmast haben, was im Allgemeinen als "Wenig" bezeichnet wird Balken ": Das Signal wird schwächer und dadurch sinkt das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR).

Dies bedeutet, dass die Fehlerrate - das Versagen, ein Bit erfolgreich zu senden und beim Absender korrekt empfangen zu lassen - zunimmt, da eine größere Wahrscheinlichkeit besteht, dass einige Fluktuationen, wie andere Quellen von Radiowellen wie die Sterne und astrophysikalische Phänomene, oder Sogar thermische Schwankungen innerhalb der empfangenden Geräte selbst können als repräsentative Daten angesehen werden.

Um sicherzustellen, dass die Bits erfolgreich durchkommen, müssen sie daher länger übertragen werden, damit sie klarer über diesem verrauschten Hintergrund unterschieden werden können und nicht fälschlicherweise umgedreht werden. Je schlechter das SNR, desto länger müssen Sie senden, um es klar zu machen. Eine andere Art zu sagen ist, dass, wenn Sie einen lauten Hintergrund haben und den Sender einschalten, eine statistische Verzerrung der Rauschschwankungen entsteht, wenn seine Übertragungen überlagert werden, z. B. indem eine sinusförmige Variation darüber gelegt wird.

Bei sehr niedrigen Werten ist diese statistische Verzerrung sehr gering und erfordert daher eine lange Abtastzeit, um genügend Daten zu erfassen, um sie mit hoher Wahrscheinlichkeit auszuwerten. Da Sie nicht wissen, welche Daten per Definition bei Ihnen ankommen, möchten Sie das, was Sie haben versuchen zu necken, um über die neckende Zeit so vorhersehbar wie möglich zu sein, und Sie müssen daher über diese Zeit nur einen bestimmten Signaltyp senden und nicht zwischen Bits wechseln, wodurch die Bitrate auf genau diese Zeit begrenzt wird.

Ein mathematisches Theorem namens Shannon-Hartley-Theorem analysiert dies genau und gibt die genauen Grenzen dafür an, wie schnell Sie Daten übertragen können, und lässt sie über einen bestimmten Rauschpegel im Verhältnis zur Stärke des Sendesignals zuverlässig hören.

Für ein Verständnis der räumlichen Skalen und damit genau dessen, worauf es ankommt: Ihr Telefon muss sich mit einem etwa 10 km entfernten Mobilfunkmast auseinandersetzen ... aber hier sind die Sonden leicht über 6000 Gm entfernt (das sind 6000 Milliarden Meter und also 600 Millionen mal weiter), und natürlich brauchen wir eine sehr große Antenne, und aufgrund der gerade erwähnten Bedenken ist die Übertragungsrate auf etwa 1 kbit / s begrenzt, was für jedes übertragene Bit eine volle Millisekunde im Vergleich dazu benötigt Ihr Telefon mit mehreren Mbit / s oder mehr.

Das Downlink eines unkomprimierten 8-Bit-Bildes (Graustufenbild) im Format 640 x 480 mit einer Geschwindigkeit von 1 kbit / s erfordert 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s oder 2,5 ks (Kilosekunden). Ein 4K-UHD-Bild würde 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks zum Downlink oder den größten Teil eines Tages (86,4 ks) benötigen. Vergleichen Sie das mit Ihrer Breitband-Internetverbindung im Inland, bei der das Streamen von 4K-Videos (bis zu 60 Bilder pro Sekunde, also vier Millionen Mal schneller) problemlos funktioniert. (ANMERKUNG HINZUFÜGEN: Wie in den Kommentaren erwähnt, ist dieser letzte Vergleich möglicherweise nicht ganz korrekt, da auch bei "echten" 4K-Streams oder Internetvideostreams ein erheblicher Grad an (verlustbehafteter) Komprimierung auftritt, was für nicht akzeptabel ist Wissenschaftliche High-Fidelity-Daten, die bestenfalls verlustfrei komprimiert werden können, um unnötige Fehler zu vermeiden.

Selbst ohne Komprimierung kann Ihre normalerweise anständige 100-Mbit / s-Internetverbindung immer noch etwa 1-2 Bilder pro Sekunde abwärts verlinken, was immer noch ausreicht, um etwas Verständliches als Bewegung wahrzunehmen, wenn auch stark verlangsamt und inkrementell weit höher als die hier erreichten Datenraten von etwas mehr als einem Frame pro Tag.)

Dies ist auch einer der Gründe, warum die Erforschung des Mars wesentlich durch den Einsatz von Telepräsenzrobotern unterstützt wird, die von einer menschlichen Basis in der Nähe des Planeten, aber in dessen Umlaufbahn gesteuert werden.

HINZUFÜGEN: Genauer gesagt liegt der Abstand zu 2014 MU ₆₉ bei 6600 Gm.

Abgesehen von der langsamen Datenübertragungsrate (erklärt in der Antwort von Astrosnapper ) ist es meines Erachtens erwähnenswert, dass New Horizons nächste Woche eine solare Konjunktion eingehen wird , was bedeutet, dass wir aufgrund der Sonne keine Übertragungen von ihr erhalten können blockieren sie.
Ich weiß nicht, wie oft dies in diesen 24 Monaten passieren wird, aber es ist ein zusätzlicher Grund für das lange Warten.

Quelle: NASA- Pressekonferenz [ 42:18 ]

Nur um ein bisschen Perspektive zu haben:

1. New Horizons ist wirklich weit weg von der Erde.

Zum Zeitpunkt der nächsten Annäherung war New Horizons über 6.600.000.000 Kilometer von der Erde entfernt. Dies sind ungefähr 6 Lichtstunden. Und das Raumschiff kommt mit rund 14 Kilometern pro Sekunde immer weiter voran.

2. Weiter entfernte Übertragungen sind schwächer.

Das inverse Quadratgesetz besagt, dass die Intensität von Dingen wie Funksignalen und Lichtquellen (Energie pro Flächeneinheit senkrecht zur Quelle) umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung ist. Das bedeutet, dass wir durch Verdoppelung der Entfernung nur ein Viertel der Energie erhalten.

3. Mit New Horizons kann man nur so viel arbeiten .

Das Raumfahrzeug wird von einem einzelnen thermoelektrischen RTG (Radioisotop-Generator) angetrieben, der ~ 11 kg Plutonium-238 enthält. Beim Start wurde eine Leistung von 245 Watt (bei 30 Volt Gleichstrom) erzeugt. Aufgrund des radioaktiven Zerfalls sank diese jedoch bis zum Pluto-Vorbeiflug im Juli 2015 auf 200 Watt und bis zum Januar auf 190 Watt 2019 MU69 Vorbeiflug.

Für die Datenübertragung verfügt es über eine Antennenantenne mit hohem Gewinn von 2,1 Metern Durchmesser, eine Antennenantenne mit mittlerem Gewinn von 30 Zentimetern Durchmesser und zwei breitstrahlende Antennen mit niedrigem Gewinn. Der Strahl mit hoher Verstärkung ist 0,3 Grad breit und der Strahl mit mittlerer Verstärkung ist 4 Grad breit (wird in Situationen verwendet, in denen das Zeigen möglicherweise nicht so genau ist). Das Funksystem von New Horizon wird von einem TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier) ​​angetrieben, der 12 Watt verbraucht. (Das entspricht in etwa einer modernen CFL-Glühbirne !)

Tatsächlich gibt es zwei TWTAs für Redundanz. eine mit linker zirkularer Polarisation und eine mit rechter zirkularer Polarisation. Nach dem Start haben sie einen Trick gefunden, um beide TWTAs gleichzeitig zu verwenden, wodurch sich die Datenübertragungsrate um das 1,9-fache erhöhte. Sie verwendeten diesen Zwei-TWTA-Modus, um alle Daten vom Pluto-Vorbeiflug schneller zurückzugewinnen .

4. Die Empfindlichkeit der Antennen auf der Erde ist begrenzt.

Auch wenn wir auf Sendungen von New Horizon mit riesigen 70-Meter-Antennen aus dem Deep Space Network achten , wird es an einem Punkt schwierig, das Signal in einem Meer aus weißem Rauschen und anderen Störungen zu erkennen, da das Signal so schwach ist .

Hier ist das 70-Meter-Gericht aus Madrid. Es ist schwer, es besser zu machen.

5. Daher muss die Downlink-Geschwindigkeit aufgrund des sehr schwachen Signals begrenzt werden.

Wie in der Antwort von The_Sympathizer ausgeführt , wird das Signal-Rausch-Verhältnis geringer, wenn das Signal schwächer wird. Sie müssen also langsamer Daten übertragen, um sicherzustellen, dass die empfangenen Daten korrekt sind.

Die NASA hat eine saubere interaktive Seite , die zeigt, was jede Antenne im DSN gerade tut. Hier ist ein Screenshot vom 3. Januar 2019, 01:11 UTC:

Wie Sie sehen, ist das Signal, das dieses Gericht von New Horizons empfängt, nur 1,29E-18 W stark. Das sind 1,29 Watt. Das ist extrem schwach.

Aufgrund des schwachen Signals haben sich die NASA-Mitarbeiter offenbar entschlossen, die Downlink-Rate auf etwa 1000 Bit pro Sekunde (125 Byte pro Sekunde) zu beschränken, um ein optimales Gleichgewicht zwischen Datenintegrität und Downlink-Geschwindigkeit herzustellen.

Zum Vergleich: Die https: //google.ca-Startseite (wenn Sie nicht angemeldet sind) hat eine Größe von ungefähr 1 MB. Wenn Sie also versuchen, die Google-Startseite mit der Geschwindigkeit des New Horizons-Downlinks zu öffnen, dauert es über 2 Stunden, bis die Seite vollständig geladen ist.

6. Es gibt viele Daten.

New Horizons war während des Vorbeiflugs beschäftigt. Es wurden ca. 50 Gigabit Daten (6 GB) gesammelt. Bei 1.000 Bit pro Sekunde ( Ein- und Ausschalten) (die von Luis G. erwähnte solare Konjunktion verzögert die Datenübertragung ebenfalls kurz) dauert es also etwa 20 Monate, bis der vollständige Satz der Ultima-Flyby-Daten gesendet ist Zurück zur Erde.

Zum Vergleich:

• Während des Pluto-Vorbeiflugs im Juli 2015 lag die Downlink-Geschwindigkeit bei etwa 2.000 Bits pro Sekunde, und es dauerte etwa 15 Monate, um alle 55 Gigabit (7 GB) Pluto-Daten herunterzuladen.
• Während des Jupiter-Vorbeiflugs im Februar 2007 lag die Downlink-Geschwindigkeit bei etwa 38.000 Bits pro Sekunde.

Lesen Sie weiter: Hier ist eine interessante verwandte Frage: Wie berechnet man die Datenrate von Voyager 1?