Perché ci vuole così tanto tempo per trasmettere un'immagine da New Horizons alla Terra?

Ho appena ricevuto la notizia che la sonda spaziale New Horizons è passata da qualche pianeta remoto ai margini del sistema solare.

Sono stato sorpreso che il ragazzo della NASA affermi che potrebbero volerci 24 mesi da noi per ottenere la foto di quel pianeta.

Il sistema solare non è così grande, giusto? È lento perché la trasmissione del segnale è lenta, giusto? Ma perché la trasmissione è così lenta?

New Horizons ha appena superato il Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69 noto anche come Ultima Thule. I KBO formano una cintura di asteroidi (la Cintura di Kuiper) dall'orbita di Nettuno verso l'esterno e di cui Plutone è il più grande membro della Cintura. Durante l'incontro con Ultima Thule, tutti e 7 gli strumenti di New Horizons stavano raccogliendo dati (anche se non tutti allo stesso tempo) e si prevede che i dati totali raccolti saranno circa 50 gigabit di dati (rispetto ai 55 gigabit di dati presi durante l'incontro di Plutone nel 2015).

Fin dai nuovi orizzontiè circa un altro miliardo di miglia più lontano di Plutone e sono trascorsi altri 3 anni, c'è meno energia per il (minuscolo) trasmettitore e i segnali sono molto più deboli. La velocità in bit è di circa 1000 bit al secondo e quindi i 50 gigabit per la trasmissione impiegheranno 50e9 bit / 1000 bit al secondo = 50.000.000 di secondi o circa 579 giorni. La conversione (approssimativa) in mesi dividendo per 365,25 e moltiplicando per 12 mostra che ci vorranno effettivamente circa 19-20 mesi per trasmettere tutto indietro. La prima immagine con una risoluzione di circa 300 metri per pixel e quindi circa 100 pixel attraverso il KBO a 30 km, dovrebbe essere ricevuta il 1 gennaio 2019. Ci sarà una conferenza stampa il 2 gennaio 2019 quando queste immagini dovrebbero essere rilasciate e mostrate.Il blog di Emily Lakdawalla Planetary Society )

Dopo il download iniziale dei dati, si aspettano di eseguire alcune analisi per vedere quali immagini hanno i dati migliori con MU69 2014 nel frame. Data l'incertezza nella posizione del MU69 2014 e l'elevata velocità dell'incontro, hanno dovuto sparare strisce di immagini e non tutti conterranno l'obiettivo. A questi dati verrà assegnata la priorità nel downlink in modo che arrivino prima a terra e possano essere analizzati per primi.

Come menzionato da @ luis-g c'è anche la congiunzione solare che causerà un periodo di 5 giorni (secondo PI Alan Stern nel briefing stampa del 3 gennaio 2019) quando la ricezione dei dati non sarà possibile. Ci aspettiamo che ciò si ripeta nel gennaio 2020, ma questi ca. 10 giorni non fanno una grande differenza rispetto al tempo impiegato che è dominato dalla debolezza del segnale ricevuto dopo che la trasmissione da 15 W percorre ~ 4 miliardi di miglia e cade a causa della legge inversa quadrata, il corrispondente bitrate basso consentito dal è necessario che i dati trasmessi siano decodificabili e la quantità di dati da trasferire.

L'altra risposta lo menziona, ma questo fornisce un po 'più di teoria sul perché .

È efficace per lo stesso motivo per cui il telefono o il Wi-Fi non funzionano altrettanto bene e rallentano quando sono lontani dall'hotspot o non riescono a ottenere una chiara linea di accesso al cellulare, più comunemente noto con "pochi bar ": il segnale diventa più debole e di conseguenza il rapporto segnale-rumore (SNR) diminuisce.

Ciò significa che il tasso di errore - incapacità di trasmettere un po 'con successo e di averlo ricevuto correttamente dal mittente - aumenta, perché c'è una maggiore probabilità che alcune fluttuazioni, come altre fonti di onde radio come le stelle e i fenomeni astrofisici, o anche la fluttuazione termica all'interno dei dispositivi di ricezione stessi può essere considerata come rappresentazione di dati.

Di conseguenza, per garantire che i bit riescano correttamente, devono essere trasmessi per un tempo più lungo in modo da poter essere più chiaramente distinti su quello sfondo rumoroso e non essere capovolti in modo spurio. Più è povero il SNR, più tempo è necessario trasmettere per chiarirlo. Un altro modo di dire è che quando si ha uno sfondo rumoroso e si accende il trasmettitore, si crea un pregiudizio statistico nelle fluttuazioni del rumore quando le sue trasmissioni si sovrappongono su di esse, ad esempio mettendo in cima una variazione sinusoidale.

A livelli molto bassi, questo pregiudizio statistico è molto piccolo e quindi richiede un lungo tempo di campionamento per raccogliere dati sufficienti per prenderli in giro con alta probabilità e poiché non sai quali dati ti arrivano per definizione, vuoi quello che vuoi stai cercando di prendere in giro per essere il più prevedibile possibile durante il tempo di presa in giro, e quindi devi inviare solo un singolo tipo specifico di segnale in quel momento e non passare da un bit all'altro, limitando il bit rate esattamente a quel tempo.

Un teorema matematico chiamato Shannon-Hartley Theorem analizza esattamente questo e dà i limiti esatti sulla velocità con cui puoi trasmettere i dati e farli comunque ascoltare in modo affidabile su un dato livello di rumore rispetto alla potenza del segnale trasmittente.

Per capire le scale spaziali coinvolte qui e quindi esattamente ciò a cui ci si confronta: il tuo telefono deve gestire una torre cellulare a 10 km di distanza ... ma qui le sonde sono facilmente a più di 6000 Gm di distanza (che sono 6000 miliardi di metri e quindi 600 milioni di volte) e naturalmente abbiamo bisogno di un'antenna molto grande e, a causa delle preoccupazioni appena menzionate, la velocità di trasmissione è limitata, come detto, a circa 1 kbit / s, impiegando un millesimo di secondo per ogni bit trasmesso, rispetto a il tuo telefono a diversi Mbit / s o più.

Per eseguire il downlink di un'immagine non compressa a 8 bit (scala di grigi) 640x480 a una velocità di 1 kbit / s sono necessari 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 se 2,5 ks (kilosecondi). Un'immagine 4K UHD richiederebbe 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks per il downlink, o la parte migliore di un giorno (86,4 ks). Confrontalo con la tua connessione Internet domestica a banda larga in cui lo streaming di video 4K (fino a 60 frame al secondo, quindi quattro milioni di volte più veloce) si interrompe facilmente. (AGGIUNGI NOTA: come menzionato nei commenti, quest'ultimo confronto potrebbe non essere del tutto accurato in quanto esiste anche una quantità significativa di compressione (con perdita) su stream 4K "reali" o qualsiasi streaming video su Internet per tale materia, il che è inaccettabile per dati scientifici ad alta fedeltà che nella migliore delle ipotesi possono utilizzare solo la compressione senza perdita di dati per non introdurre errori inutili.

Anche senza alcuna compressione, tuttavia, la tua connessione Internet a 100 Mbit / s normalmente decente sarebbe comunque in grado di downlink forse circa 1-2 fotogrammi di video al secondo che è ancora abbastanza per percepire qualcosa di comprensibile come movimento, anche se notevolmente rallentato e incrementale, e molto più elevato delle velocità di trasmissione dati ottenute qui di poco più di un frame al giorno.)

Questo è anche uno dei motivi per cui l'esplorazione marziana sarebbe stata notevolmente aiutata, ed è stato proposto di utilizzare, la robotica della telepresenza controllata da una base umana vicino, ma in orbita, del pianeta.

AGGIUNGI: Più precisamente, la distanza dal 2014 MU ₆₉ è di circa 6600 Gm.

Oltre alla lenta velocità di trasmissione dei dati (spiegata nella risposta dell'astrosnapper ), penso che valga la pena sottolineare che New Horizons entrerà in congiunzione solare la prossima settimana, il che significa che non saremo in grado di ricevere alcuna trasmissione da esso a causa del Sole bloccandoli.
Non so quante volte ciò accadrà in quei 24 mesi, ma è un motivo in più per la lunga attesa.

Fonte: NASA News Conference [ 42:18 ]

Giusto per dare una prospettiva alle cose:

1. New Horizons è davvero molto lontano dalla Terra.

Al momento dell'approccio più vicino, New Horizons era a oltre 6.600.000.000 di chilometri dalla Terra. Sono circa 6 ore luce. E l'astronave continua ad avanzare di circa 14 chilometri al secondo.

2. Le trasmissioni da più lontano sono più deboli.

La legge del quadrato inverso afferma che l'intensità di cose come segnali radio e fonti di luce (energia per unità di area perpendicolare alla sorgente) è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Ciò significa che raddoppiare la distanza ci porta a ricevere solo un quarto dell'energia.

3. New Horizons ha solo così tanto potere con cui lavorare .

Il veicolo spaziale è alimentato da un singolo RTG (generatore termoelettrico radioisotopico) che contiene ~ 11 kg di plutonio-238. Al momento del lancio, ciò ha prodotto 245 watt (a 30 volt di corrente continua) di potenza, ma a causa del decadimento radioattivo, questo è diminuito a 200 watt al momento del sorvolo del Pluto di luglio 2015, e ulteriormente a 190 watt al momento di gennaio 2019 MU69 flyby.

Per la trasmissione dei dati, ha un'antenna parabolica ad alto guadagno da 2,1 metri di diametro, un'antenna parabolica a guadagno medio da 30 cm di diametro e due antenne a fascio largo a basso guadagno. Il raggio ad alto guadagno è largo 0,3 gradi e il raggio ad alto guadagno è largo 4 gradi (usato in situazioni in cui il puntamento potrebbe non essere così preciso). Il sistema radio di New Horizon è alimentato da un TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier), che consuma 12 watt. (È quasi lo stesso di una moderna lampadina CFL !)

Esistono in realtà due TWTA per ridondanza; uno con polarizzazione circolare sinistra e uno con polarizzazione circolare destra. Dopo il lancio, hanno escogitato un trucco per utilizzare entrambi i TWTA contemporaneamente, aumentando la velocità di trasferimento dei dati di 1,9 volte. Hanno usato questa modalità due-TWTA per recuperare più rapidamente tutti i dati dal flyby di Pluto .

4. C'è un limite alla sensibilità delle antenne sulla Terra.

Anche se ascoltiamo le trasmissioni di New Horizon utilizzando enormi antenne paraboliche di 70 metri della Deep Space Network , arriva un punto in cui inizia a diventare difficile discernere il segnale tra un mare di rumore bianco e altre interferenze, perché il segnale è così debole .

Ecco il piatto di 70 metri di Madrid. È difficile fare molto meglio di così.

5. Quindi, la velocità di downlink deve essere limitata a causa del segnale molto debole.

Come spiegato nella risposta di The_Sympathizer , il rapporto segnale-rumore diminuisce quando il segnale diventa più debole, quindi è necessario trasmettere i dati più lentamente per assicurarsi che i dati ricevuti siano corretti.

La NASA ha una bella pagina interattiva che mostra cosa sta facendo ogni antenna nel DSN in questo momento. Ecco uno screenshot del 3 gennaio 2019, 01:11 UTC:

Come puoi vedere, il segnale che questo piatto sta ricevendo da New Horizons ha una potenza di soli 1,29 E-18 W. Sono 1,29 attiwatt. È estremamente debole.

Quindi, a causa del debole segnale, sembra che le persone della NASA abbiano deciso di limitare la velocità di downlink a circa 1000 bit al secondo (125 byte al secondo), come un equilibrio ottimale tra integrità dei dati e velocità del downlink.

A titolo di confronto, la home page https://google.ca (quando non si è effettuato l'accesso) risulta di circa 1 MB. Quindi, se provassi ad aprire la home page di Google alla velocità del downlink di New Horizons, occorrerebbero più di 2 ore per il caricamento completo della pagina.

6. Ci sono molti dati.

New Horizons era occupato durante il flyby. Ha raccolto circa 50 gigabit di dati (6 GB). Quindi a 1.000 bit al secondo, on-e-off (la congiunzione solare che Luis G. ha sottolineato ritarderà anche brevemente il trasferimento dei dati), ci vorranno circa 20 mesi per inviare l'intero set di dati flyby Ultima ritorno sulla Terra.

Per confronto:

• Durante il flyby di Pluto a luglio 2015, la velocità di downlink era di circa 2.000 bit al secondo e sono stati necessari circa 15 mesi per scaricare tutti i 55 gigabit (7 GB) di dati Pluto.
• Durante il flyby di Giove nel febbraio 2007, la velocità di downlink era di circa 38.000 bit al secondo.

Ulteriori letture: ecco un'interessante domanda correlata: come calcolare la velocità di trasmissione dati di Voyager 1?