Tại sao phải mất một thời gian dài để truyền một hình ảnh từ Chân trời mới đến Trái đất?

Tôi vừa nhận được tin rằng tàu thăm dò không gian New Horizons đã đi qua một hành tinh xa xôi nào đó ở rìa hệ mặt trời.

Tôi đã rất ngạc nhiên khi anh chàng đến từ NASA nói rằng chúng ta có thể mất 24 tháng để có được bức ảnh về hành tinh đó.

Hệ mặt trời không lớn lắm phải không? Nó chậm vì truyền tín hiệu chậm, phải không? Nhưng tại sao việc truyền tải lại chậm như vậy?

Chân trời mới vừa vượt qua Vật thể Vành đai Kuiper (KBO) 2014 MU69 còn được gọi là Ultima Thule. Các KBO tạo thành một vành đai các tiểu hành tinh (Vành đai Kuiper) từ quỹ đạo của sao Hải Vương ra ngoài và trong đó Sao Diêm Vương là thành viên lớn nhất của Vành đai. Trong cuộc chạm trán với Ultima Thule, tất cả 7 công cụ trên Chân trời mới đều thu thập dữ liệu (mặc dù không phải tất cả cùng một lúc) và tổng dữ liệu thu thập được dự kiến ​​là khoảng 50 gigabits dữ liệu (so với 55 gigabits dữ liệu được lấy trong thời gian cuộc chạm trán sao Diêm Vương năm 2015).

Kể từ chân trời mớikhoảng một tỷ dặm xa hơn so với Sao Diêm Vương đã và hơn 3 năm đã trôi qua, có ít năng lượng cho (nhỏ) máy phát và các tín hiệu là yếu hơn nhiều. Tốc độ bit là khoảng 1000 bit mỗi giây và do đó, 50 gigabits để truyền này sẽ mất 50e9 bit / 1000 bit mỗi giây = 50.000.000 giây hoặc khoảng 579 ngày. Chuyển đổi (khoảng) thành tháng bằng cách chia cho 365,25 và nhân với 12 cho thấy thực sự sẽ mất khoảng 19-20 tháng để truyền lại mọi thứ. Hình ảnh đầu tiên ở độ phân giải khoảng 300 mét trên mỗi pixel và khoảng 100 pixel trên KBO 30 km, sẽ được nhận vào ngày 1 tháng 9 năm 2019. Hình ảnh có độ phân giải cao thứ hai với khoảng 300 pixel trên KBO dự kiến ​​sẽ được tải xuống vào ngày 2 tháng 1 năm 2019 Sẽ có một cuộc họp báo vào ngày 2 tháng 1 năm 2019 khi những hình ảnh này được phát hành và hiển thị.Mục blog của Hiệp hội hành tinh Emily Lakdawalla )

Sau khi tải xuống dữ liệu ban đầu, họ hy vọng sẽ thực hiện một số phân tích để xem hình ảnh nào có dữ liệu tốt nhất với 2014 MU69 trong khung. Với sự không chắc chắn ở vị trí của MU69 2014 và tốc độ cao của cuộc chạm trán, họ đã phải chụp các dải hình ảnh và không phải tất cả sẽ chứa mục tiêu. Những dữ liệu này sẽ được ưu tiên trong đường xuống để chúng đến mặt đất trước và có thể được phân tích trước.

Như @ luis-g đã đề cập, đó cũng là sự kết hợp của Solar sẽ gây ra một khoảng thời gian 5 ngày (theo PI Alan Stern trong cuộc họp báo ngày 3 tháng 1 năm 2019) khi không thể nhận được dữ liệu. Chúng tôi hy vọng điều này sẽ xảy ra vào tháng 1 năm 2020 nhưng những điều này 10 ngày không làm cho một sự khác biệt lớn đến thời gian thực hiện mà bị chi phối bởi sự yếu kém của các tín hiệu nhận được sau khi truyền 15W đi khắp ~ 4 tỷ dặm và rơi khỏi do pháp luật hình vuông nghịch đảo, tốc độ bit thấp tương ứng cho phép bởi cần phải có dữ liệu truyền đi có thể giải mã và lượng dữ liệu cần truyền.

Câu trả lời khác đề cập đến nó, nhưng điều này cung cấp thêm một chút lý thuyết về lý do tại sao .

Đó là lý do tương tự vì lý do tương tự rằng điện thoại hoặc Wi-Fi của bạn không hoạt động tốt và chậm lại khi chúng ở xa điểm phát sóng hoặc không thể truy cập rõ ràng vào tháp di động, thường được gọi là "ít thanh ": tín hiệu trở nên yếu hơn và kết quả là tỷ lệ tín hiệu / nhiễu (SNR) giảm xuống.

Điều này có nghĩa là tỷ lệ lỗi - không thể truyền thành công một bit và nhận được chính xác tại người gửi - tăng lên, bởi vì có nhiều khả năng một số biến động, như các nguồn sóng vô tuyến khác như các ngôi sao và hiện tượng vật lý thiên văn, hoặc thậm chí dao động nhiệt trong chính các thiết bị nhận, có thể được coi là đại diện cho dữ liệu.

Kết quả là, để đảm bảo rằng các bit thực hiện thành công, chúng phải được truyền đi trong một thời gian dài hơn để chúng có thể được phân biệt rõ ràng hơn trên nền nhiễu đó và sẽ không bị lật. SNR càng kém, bạn cần truyền tải càng lâu để làm cho nó rõ ràng. Một cách khác để nói là khi bạn có một nền nhiễu, và bạn bật máy phát, nó sẽ tạo ra sự sai lệch thống kê trong các dao động tiếng ồn khi truyền phát của nó trở nên chồng chất lên chúng, ví dụ như đặt một biến thể hình sin lên trên.

Ở mức rất thấp, độ lệch thống kê này rất nhỏ và do đó cần một thời gian lấy mẫu dài để thu thập đủ dữ liệu để trêu chọc nó với xác suất cao và vì bạn không biết dữ liệu nào sẽ đến với bạn theo định nghĩa, bạn muốn điều bạn muốn Chúng tôi đang cố gắng trêu chọc để có thể dự đoán được càng nhiều càng tốt theo thời gian trêu chọc, và do đó bạn phải chỉ gửi một loại tín hiệu cụ thể duy nhất trong thời gian đó và không chuyển đổi giữa các bit, giới hạn tốc độ bit chính xác theo thời gian đó.

Một định lý toán học gọi là Định lý Shannon-Hartley phân tích chính xác điều này và đưa ra các giới hạn chính xác về tốc độ bạn có thể truyền dữ liệu và vẫn nghe được một cách đáng tin cậy về một mức nhiễu nhất định so với cường độ của tín hiệu truyền.

Để hiểu về quy mô không gian liên quan ở đây và do đó chính xác những gì người ta đang chống lại: điện thoại của bạn phải đối phó với một tòa tháp di động có thể cách đó 10 km ... nhưng ở đây các đầu dò dễ dàng cách xa hơn 6000 Gm (đó là 6000 tỷ mét và hơn 600 triệu lần nữa) và đương nhiên chúng ta cần một ăng-ten rất lớn và vì những lo ngại vừa được đề cập, tốc độ truyền bị giới hạn, như đã nói, khoảng 1 kbit / s, mất một mili giây cho mỗi bit được truyền, so với điện thoại của bạn ở một số Mbit / s trở lên.

Để liên kết xuống một hình ảnh 640x480 không nén (màu xám) với tốc độ 1 kbit / s mất 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s hoặc 2,5 ks (kilos giây). Một hình ảnh 4K UHD sẽ mất 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks cho đường xuống hoặc phần tốt hơn trong một ngày (86,4 ks). So sánh điều đó với kết nối Internet băng thông rộng trong nước của bạn, nơi truyền phát video 4K (lên đến 60 khung hình mỗi giây để nhanh hơn bốn triệu lần). (THÊM LƯU Ý: như đã đề cập trong các nhận xét, so sánh cuối cùng này có thể không hoàn toàn chính xác vì cũng có một lượng đáng kể (mất) nén trên các luồng 4K "thực" hoặc bất kỳ luồng video Internet nào cho vấn đề đó, không thể chấp nhận được dữ liệu khoa học có độ chính xác cao có thể sử dụng tốt nhất chỉ nén không mất dữ liệu để không đưa ra các lỗi không cần thiết.

Tuy nhiên, ngay cả khi không nén, kết nối Internet 100 Mbit / s thông thường của bạn vẫn có thể liên kết xuống có thể khoảng 1-2 khung hình video mỗi giây, vẫn đủ để cảm nhận điều gì đó dễ hiểu như chuyển động, mặc dù bị chậm và tăng rất nhiều, và cao hơn nhiều so với tốc độ dữ liệu đạt được ở đây nhiều hơn một khung hình mỗi ngày.)

Đây cũng là một trong những lý do mà việc thám hiểm sao Hỏa sẽ được hỗ trợ đáng kể và nó đã được đề xuất sử dụng, robot điều khiển từ xa được điều khiển từ một căn cứ của con người gần, nhưng trên quỹ đạo của hành tinh.

THÊM: Chính xác hơn, khoảng cách đến 2014 MU ₆₉ là khoảng 6600 Gm.

Ngoài tốc độ truyền dữ liệu chậm (được giải thích trong câu trả lời của astrosnapper ), tôi nghĩ rằng đáng để chỉ ra rằng New Horizons sẽ kết hợp với năng lượng mặt trời vào tuần tới, có nghĩa là chúng ta sẽ không thể nhận được bất kỳ sự truyền nào từ nó do Mặt trời chặn chúng
Tôi không biết điều này sẽ xảy ra bao nhiêu lần trong 24 tháng đó, nhưng đó là một lý do bổ sung cho sự chờ đợi lâu dài.

Nguồn: Hội nghị Tin tức NASA [ 42:18 ]

Chỉ để đặt một số quan điểm về mọi thứ:

1. Chân trời mới thực sự cách xa Trái đất.

Tại thời điểm tiếp cận gần nhất, New Horizons cách Trái đất hơn 6.600.000.000 km. Đây là khoảng 6 giờ sáng. Và tàu vũ trụ đang tiếp tục đi xa hơn khoảng 14 km mỗi giây.

2. Truyền từ xa hơn là yếu hơn.

Định luật nghịch đảo quy định rằng cường độ của những thứ như tín hiệu vô tuyến và nguồn sáng (năng lượng trên một đơn vị diện tích vuông góc với nguồn) tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Điều đó có nghĩa là nhân đôi khoảng cách kết quả trong việc chúng ta chỉ nhận được một phần tư năng lượng.

3. Chân trời mới chỉ có rất nhiều sức mạnh để làm việc .

Tàu vũ trụ được cung cấp bởi một RTG (máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ) có chứa ~ 11 kg Plutonium-238. Khi ra mắt, công suất này đã tạo ra công suất 245 watt (ở mức 30 volt), nhưng do sự phân rã phóng xạ, công suất này đã giảm xuống 200 watt vào thời điểm bay Pluto tháng 7 năm 2015 và hơn nữa là 190 watt vào thời điểm tháng 1 2019 MU69 bay bổng.

Để truyền dữ liệu, nó có ăng-ten đĩa có độ lợi cao đường kính 2,1 mét, ăng-ten đĩa có độ lợi trung bình đường kính 30 cm và hai ăng-ten có độ rộng thấp, độ khuếch đại thấp. Chùm tia khuếch đại cao rộng 0,3 độ và chùm tia khuếch đại trung bình rộng 4 độ (được sử dụng trong các tình huống khi điểm có thể không chính xác). Hệ thống vô tuyến của New Horizon được cung cấp bởi TWTA (Travelling Wave Tube Ampli), tiêu thụ 12 watt. (Điều đó giống như một bóng đèn CFL hiện đại !)

Thực tế có hai TWTA để dự phòng; một với phân cực tròn bên trái, và một với phân cực tròn bên phải. Sau khi ra mắt, họ đã tìm ra một mẹo để sử dụng cả hai TWTA cùng một lúc, giúp tăng tốc độ truyền dữ liệu lên 1,9 lần. Họ đã sử dụng chế độ hai TWTA này để lấy lại tất cả dữ liệu từ máy bay Pluto nhanh hơn .

4. Có giới hạn mức độ nhạy của ăng ten trên Trái đất.

Mặc dù chúng tôi lắng nghe truyền phát của New Horizon bằng ăng-ten đĩa 70 mét khổng lồ từ Mạng không gian sâu , có một điểm khiến nó khó bắt đầu nhận ra tín hiệu giữa một biển tiếng ồn trắng và nhiễu khác, vì tín hiệu rất yếu .

Đây là món ăn 70 mét từ Madrid. Thật khó để làm tốt hơn thế này.

5. Vì vậy, tốc độ đường xuống phải bị hạn chế do tín hiệu rất yếu.

Như được giải thích trong câu trả lời của The_Sympathizer , tỷ lệ nhiễu tín hiệu sẽ thấp hơn khi tín hiệu bị mờ hơn và do đó bạn phải truyền dữ liệu chậm hơn để đảm bảo rằng dữ liệu bạn nhận được là chính xác.

NASA có một trang tương tác gọn gàng cho thấy mỗi ăng-ten trong DSN đang làm gì. Dưới đây là ảnh chụp màn hình từ ngày 3 tháng 1 năm 2019, 01:11 UTC:

Như bạn có thể thấy, tín hiệu mà món ăn này nhận được từ New Horizons chỉ có sức mạnh 1,29E-18 W. Đó là 1,29 trang phục. Điều đó cực kỳ yếu.

Do đó, do tín hiệu mờ nhạt, có vẻ như mọi người ở NASA đã quyết định hạn chế tốc độ đường xuống ở khoảng 1000 bit mỗi giây (125 byte mỗi giây), như một sự cân bằng tối ưu giữa tính toàn vẹn dữ liệu và tốc độ đường xuống.

Để so sánh, trang chủ https://google.ca (khi bạn chưa đăng nhập) có dung lượng khoảng 1 MB. Vì vậy, nếu bạn đã cố mở trang chủ Google với tốc độ của đường xuống New Horizons, sẽ mất hơn 2 giờ để trang tải đầy đủ.

6. Có rất nhiều dữ liệu.

Chân trời mới đã bận rộn trong thời gian bay. Nó đã thu thập khoảng 50 gigabits dữ liệu (6 GB). Vì vậy, với tốc độ 1.000 bit mỗi giây, bật và tắt (tổ hợp năng lượng mặt trời mà Luis G. chỉ ra cũng sẽ trì hoãn việc truyền dữ liệu trong một thời gian ngắn), sẽ mất khoảng 20 tháng để toàn bộ dữ liệu bay của Ultima được gửi trở lại trái đất.

Để so sánh:

• Trong chuyến bay Pluto vào tháng 7 năm 2015, tốc độ đường xuống ở mức khoảng 2.000 bit mỗi giây và mất khoảng 15 tháng để tải xuống tất cả 55 gigabits (7 GB) dữ liệu Pluto.
• Trong quá trình bay của sao Mộc vào tháng 2 năm 2007, tốc độ đường xuống ở mức khoảng 38.000 bit mỗi giây.

Đọc thêm: Đây là một câu hỏi liên quan thú vị: Làm thế nào để tính tốc độ dữ liệu của Voyager 1?