¿Por qué tarda tanto en transmitir una imagen de New Horizons a la Tierra?

Acabo de recibir la noticia de que la sonda espacial New Horizons ha pasado por algún planeta remoto en el borde del sistema solar.

Me sorprendió que el tipo de la NASA dijera que podría llevarnos 24 meses obtener la foto de ese planeta.

El sistema solar no es tan grande, ¿verdad? Es lento porque la transmisión de la señal es lenta, ¿verdad? Pero, ¿por qué la transmisión es tan lenta?

New Horizons acaba de pasar el objeto Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69 también conocido como Ultima Thule. Los KBO forman un cinturón de asteroides (el Cinturón de Kuiper) desde la órbita de Neptuno hacia afuera y de los cuales Plutón es el miembro más grande del Cinturón. Durante el encuentro con Ultima Thule, los 7 instrumentos en New Horizons estaban recopilando datos (aunque no todos al mismo tiempo) y se espera que el total de datos recopilados sea de unos 50 gigabits de datos (en comparación con los 55 gigabits de datos tomados durante El encuentro de Plutón en 2015).

Desde nuevos horizontesestá a unos mil millones de millas más allá de lo que estaba Plutón y han transcurrido 3 años más, hay menos potencia para el transmisor (pequeño) y las señales son mucho más débiles. La velocidad de bits es de aproximadamente 1000 bits por segundo, por lo que los 50 gigabits para transmitir esto demorarán 50e9 bits / 1000 bits por segundo = 50,000,000 segundos o aproximadamente 579 días. La conversión (aproximadamente) a meses al dividir entre 365.25 y multiplicar por 12 muestra que, de hecho, tomará entre 19 y 20 meses transmitir todo. La primera imagen con una resolución de aproximadamente 300 metros por píxel y, por lo tanto, aproximadamente 100 píxeles en los 30 km de KBO, debería recibirse el 1 de enero de 2019. Se espera que una segunda imagen de mayor resolución con aproximadamente 300 píxeles en el KBO se descargue para el 2 de enero de 2019 Habrá una conferencia de prensa el 2 de enero de 2019 cuando estas imágenes se lanzarán y se mostrarán.Entrada de blog de la Sociedad Planetaria de Emily Lakdawalla )

Después de la descarga de datos inicial, esperan realizar un análisis para ver qué imágenes tienen los mejores datos con MU69 2014 en el marco. Dada la incertidumbre en la posición del MU69 2014 y la alta velocidad del encuentro, tuvieron que disparar tiras de imágenes y no todas contendrán el objetivo. Estos datos se priorizarán en el enlace descendente para que lleguen primero al suelo y se puedan analizar primero.

Según lo mencionado por @ luis-g, también existe la conjunción Solar que causará un período de 5 días (según PI Alan Stern en la conferencia de prensa del 3 de enero de 2019) cuando la recepción de los datos no será posible. Es de esperar que esto vuelva a ocurrir en enero de 2020, pero estos aprox. 10 días no hacen una gran diferencia en el tiempo que toma, dominado por la debilidad de la señal recibida después de que la transmisión de 15 W recorre los ~ 4 mil millones de millas y se cae debido a la ley del cuadrado inverso, la tasa de bits baja correspondiente permitida por el necesita tener los datos transmitidos decodificables y la cantidad de datos a transferir.

La otra respuesta lo menciona, pero esto da un poco más de teoría sobre el por qué .

Es efectivo por la misma razón por la que su teléfono o Wi-Fi no funcionan tan bien y se ralentizan cuando están lejos del punto de acceso o no pueden obtener una línea clara de acceso a la torre celular, más comúnmente conocido como "pocos barras ": la señal se debilita y, como resultado, la relación señal / ruido (SNR) disminuye.

Esto significa que la tasa de error (falla al transmitir con éxito un bit y recibirlo correctamente en el emisor) aumenta, porque hay una mayor probabilidad de que haya alguna fluctuación, como otras fuentes de ondas de radio como las estrellas y los fenómenos astrofísicos, o incluso la fluctuación térmica dentro de los propios dispositivos receptores puede considerarse como representación de datos.

Como resultado, para garantizar que los bits se logren con éxito, deben transmitirse durante un tiempo más prolongado para que puedan distinguirse más claramente sobre ese fondo ruidoso y no se inviertan espuriosamente. Cuanto más pobre sea la SNR, más tiempo necesitará transmitir para dejarla clara. Otra forma de decirlo es que cuando tienes un fondo ruidoso y enciendes el transmisor, crea un sesgo estadístico en las fluctuaciones de ruido a medida que sus transmisiones se superponen, por ejemplo, colocando una variación sinusoidal en la parte superior.

A niveles muy bajos, este sesgo estadístico es muy pequeño y, por lo tanto, requiere un tiempo de muestreo largo para recopilar suficientes datos para extraerlos con alta probabilidad y, dado que no sabe qué datos le llegan por definición, desea lo que desea. está tratando de burlarse de ser lo más predecible posible durante el tiempo de provocación, y por lo tanto debe enviar solo un tipo específico de señal durante ese tiempo y no cambiar entre bits, limitando la velocidad de bits a exactamente ese tiempo.

Un teorema matemático llamado Teorema de Shannon-Hartley analiza esto con precisión y proporciona los límites exactos sobre la rapidez con la que puede transmitir datos y aún así escucharlos de manera confiable sobre un nivel de ruido determinado en relación con la fuerza de la señal de transmisión.

Para comprender las escalas espaciales involucradas aquí y, por lo tanto, exactamente a qué se enfrenta: su teléfono tiene que lidiar con una torre celular a unos 10 km de distancia ... pero aquí las sondas están a más de 6000 Gm de distancia (eso es 6000 billones de metros y así que 600 millones de veces más), y naturalmente necesitamos una antena muy grande, y debido a las preocupaciones que acabamos de mencionar, la velocidad de transmisión se limita, como se dijo, a aproximadamente 1 kbit / s, tomando un milisegundo completo por cada bit transmitido, en comparación su teléfono a varios Mbit / so más.

Para bajar el enlace de una imagen 640x480 de 8 bits (escala de grises) sin comprimir a esa velocidad de 1 kbit / s, se requieren 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 so 2.5 ks (kilosegundos). Una imagen 4K UHD tomaría 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks para el enlace descendente, o la mayor parte del día (86.4 ks). Compare eso con su conexión de Internet doméstica de banda ancha donde la transmisión de video 4K (hasta 60 cuadros por segundo, cuatro millones de veces más rápido) se reduce con facilidad. (AGREGAR NOTA: como se menciona en los comentarios, esta última comparación puede no ser del todo precisa ya que también hay una cantidad significativa de compresión (con pérdida) en transmisiones 4K "reales", o cualquier transmisión de video de Internet para ese asunto, lo cual es inaceptable para Datos científicos de alta fidelidad que, en el mejor de los casos, pueden utilizar una compresión puramente sin pérdidas solo para no introducir errores innecesarios.

Sin embargo, incluso sin compresión, su conexión a Internet decente de 100 Mbit / s todavía sería capaz de hacer un enlace descendente de aproximadamente 1-2 cuadros de video por segundo, que es suficiente para percibir algo comprensible como movimiento, aunque muy lento e incremental, y mucho más alto que las velocidades de datos logradas aquí de un poco más de un cuadro por día).

Esta es también una de las razones por las cuales la exploración marciana se vería significativamente ayudada, y se ha propuesto utilizar la robótica de telepresencia controlada desde una base humana cerca, pero en órbita, del planeta.

AGREGAR: Más exactamente, la distancia a 2014 MU ₆₉ es de alrededor de 6600 Gm.

Además de la velocidad de transmisión de datos lenta (explicada en la respuesta del astrosnapper ), creo que vale la pena señalar que New Horizons entrará en conjunción solar la próxima semana, lo que significa que no podremos recibir ninguna transmisión debido al Sol. bloqueándolos
No sé cuántas veces esto sucederá durante esos 24 meses, pero es una razón adicional para la larga espera.

Fuente: Conferencia de Noticias de la NASA [ 42:18 ]

Solo para poner algo de perspectiva sobre las cosas:

1. New Horizons está muy lejos de la Tierra.

En el momento de acercamiento más cercano, New Horizons estaba a más de 6.600.000.000 de kilómetros de la Tierra. Esto es aproximadamente 6 horas luz. Y la nave espacial continúa avanzando unos 14 kilómetros por segundo.

2. Las transmisiones desde más lejos son más débiles.

La ley del cuadrado inverso establece que la intensidad de cosas como las señales de radio y las fuentes de luz (energía por unidad de área perpendicular a la fuente) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Eso significa que duplicar la distancia da como resultado que recibamos solo una cuarta parte de la energía.

3. New Horizons solo tiene tanto poder para trabajar .

La nave espacial funciona con un único RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos) que contiene ~ 11 kg de plutonio-238. En el lanzamiento, esto produjo 245 vatios (a 30 voltios de corriente continua) de energía, pero debido a la desintegración radiactiva, esto disminuyó a 200 vatios en el momento del sobrevuelo de Plutón en julio de 2015, y más a 190 vatios en el momento de enero 2019 MU69 sobrevuelo.

Para la transmisión de datos, tiene una antena parabólica de alta ganancia de 2,1 metros de diámetro, una antena parabólica de ganancia media de 30 centímetros de diámetro y dos antenas de haz ancho y baja ganancia. El haz de alta ganancia tiene 0.3 grados de ancho, y el haz de ganancia media tiene 4 grados de ancho (usado en situaciones en las que el apuntamiento podría no ser tan preciso). El sistema de radio de New Horizon está alimentado por un TWTA (Travelling Wave Tube Amplifier), que consume 12 vatios. (¡Eso es casi lo mismo que una bombilla CFL moderna !)

En realidad, hay dos TWTA para la redundancia; uno con polarización circular izquierda y otro con polarización circular derecha. Después del lanzamiento, descubrieron un truco para usar ambos TWTA al mismo tiempo, lo que aumentó la velocidad de transferencia de datos en 1.9 veces. Utilizaron este modo de dos TWTA para recuperar todos los datos del sobrevuelo de Plutón más rápidamente .

4. Hay un límite de cuán sensibles pueden ser las antenas en la Tierra.

Aunque escuchamos las transmisiones de New Horizon utilizando enormes antenas parabólicas de 70 metros de la Red del Espacio Profundo , llega un punto en el que comienza a ser difícil discernir la señal entre un mar de ruido blanco y otras interferencias, porque la señal es muy débil .

Aquí está el plato de 70 metros de Madrid. Es difícil hacerlo mucho mejor que esto.

5. Entonces, la velocidad del enlace descendente tiene que ser restringida debido a la señal muy débil.

Como se explica en la respuesta de The_Sympathizer , la relación señal / ruido disminuye cuando la señal se atenúa, por lo que debe transmitir los datos más lentamente para asegurarse de que los datos que recibe sean correctos.

La NASA tiene una página interactiva que muestra lo que está haciendo cada antena en el DSN en este momento. Aquí hay una captura de pantalla del 3 de enero de 2019, 01:11 UTC:

Como puede ver, la señal de que este plato está recibiendo de New Horizons tiene solo 1.29E-18 W de potencia. Eso es 1,29 attovatios. Eso es extremadamente débil.

Entonces, como resultado de la débil señal, parece que la gente de la NASA decidió restringir la velocidad del enlace descendente a aproximadamente 1000 bits por segundo (125 bytes por segundo), como un equilibrio óptimo entre la integridad de los datos y la velocidad del enlace descendente.

Como punto de comparación, la página de inicio https://google.ca (cuando no está conectado) tiene aproximadamente 1 MB. Entonces, si intentas abrir la página de inicio de Google a la velocidad del enlace descendente de New Horizons, la página tardaría más de 2 horas en cargarse por completo.

6. Hay muchos datos.

New Horizons estuvo ocupado durante el sobrevuelo. Recopiló alrededor de 50 gigabits de datos (6 GB). Entonces, a 1,000 bits por segundo, encendido y apagado (la conjunción solar que Luis G. señaló también retrasará brevemente la transferencia de datos), tomará alrededor de 20 meses para que se envíe el conjunto completo de datos de sobrevuelo de Ultima volver a la tierra.

Para comparacion:

• Durante el sobrevuelo de Plutón en julio de 2015, la velocidad del enlace descendente fue de aproximadamente 2.000 bits por segundo, y tomó aproximadamente 15 meses descargar los 55 gigabits (7 GB) de datos de Plutón.
• Durante el sobrevuelo de Júpiter en febrero de 2007, la velocidad del enlace descendente fue de aproximadamente 38,000 bits por segundo.

Lectura adicional: Aquí hay una pregunta relacionada interesante: ¿Cómo calcular la velocidad de datos de Voyager 1?