Mengapa butuh waktu lama untuk mengirimkan gambar dari New Horizons ke Earth?

Saya baru saja mendapat kabar bahwa wahana antariksa New Horizons telah melewati beberapa planet terpencil di tepi tata surya.

Saya terkejut bahwa pria dari NASA mengatakan bahwa mungkin perlu 24 bulan bagi kita untuk mendapatkan foto planet itu.

Tata surya tidak sebesar itu, kan? Ini lambat karena transmisi sinyal lambat, bukan? Tetapi mengapa transmisinya sangat lambat?

New Horizons baru saja melewati Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69 yang juga dikenal sebagai Ultima Thule. KBO membentuk sabuk asteroid (Sabuk Kuiper) dari orbit Neptunus ke luar dan Pluto adalah anggota terbesar Sabuk. Selama pertemuan dengan Ultima Thule, semua dari 7 instrumen di New Horizons mengumpulkan data (meskipun tidak semuanya pada saat yang bersamaan) dan total data yang dikumpulkan diperkirakan sekitar 50 gigabit data (dibandingkan dengan 55 gigabit data yang diambil selama pertemuan Pluto pada 2015).

Sejak Cakrawala Baruadalah sekitar satu miliar mil lebih jauh dari Pluto dan 3 tahun telah berlalu, ada lebih sedikit daya untuk pemancar (kecil) dan sinyal jauh lebih lemah. Kecepatan bit adalah sekitar 1000 bit per detik sehingga 50 gigabit untuk mentransmisikan ini akan membutuhkan 50e9 bit / 1000 bit per detik = 50.000.000 detik atau sekitar 579 hari. Mengubah (kira-kira) menjadi bulan dengan membaginya dengan 365.25 dan mengalikannya dengan 12 menunjukkan bahwa memang dibutuhkan sekitar 19-20 bulan untuk mengirimkan semuanya kembali. Gambar pertama dengan resolusi sekitar 300 meter per piksel dan sekitar 100 piksel pada 30 km KBO, harus diterima pada 2019 Januari. Gambar resolusi kedua yang lebih tinggi dengan 300 piksel melintasi KBO diharapkan akan diunduh pada 2019 Januari 2 Akan ada konferensi pers pada 2019 2 Januari ketika gambar-gambar ini akan dirilis dan ditampilkan.Entri blog Planetary Society dari Emily Lakdawalla )

Setelah pengunduhan data awal, mereka berharap untuk melakukan beberapa analisis untuk melihat gambar mana yang memiliki data terbaik dengan 2014 MU69 dalam bingkai. Mengingat ketidakpastian di posisi MU69 2014 dan kecepatan pertemuan yang tinggi, mereka harus memotret potongan gambar dan tidak semua akan berisi target. Data-data ini akan diprioritaskan dalam downlink sehingga mereka tiba di tanah terlebih dahulu dan dapat dianalisis terlebih dahulu.

Seperti disebutkan oleh @ luis-g ada juga konjungsi Solar yang akan menyebabkan periode 5 hari (menurut PI Alan Stern dalam konferensi pers 3 Januari 2019) ketika penerimaan data tidak mungkin dilakukan. Kami berharap ini akan terjadi kembali pada Januari 2020 tetapi kira-kira ini. 10 hari tidak membuat perbedaan besar pada waktu yang diambil yang didominasi oleh kelemahan dari sinyal yang diterima setelah transmisi 15W menempuh ~ 4 miliar mil dan jatuh karena hukum kuadrat terbalik, bitrate rendah yang sesuai diizinkan oleh harus memiliki data yang dikirimkan diterjemahkan dan jumlah data yang akan ditransfer.

Jawaban lain menyebutkannya, tetapi ini memberikan sedikit lebih banyak teori tentang mengapa .

Ini efektif karena alasan yang sama bahwa ponsel atau Wi-Fi Anda tidak berfungsi dengan baik dan melambat ketika mereka jauh dari hotspot atau tidak bisa mendapatkan jalur akses yang jelas ke menara sel, lebih dikenal sebagai "beberapa" bar ": sinyal semakin lemah dan sebagai hasilnya rasio signal-to-noise (SNR) turun.

Ini berarti bahwa tingkat kesalahan - kegagalan untuk mentransmisikan sedikit dan memilikinya diterima dengan benar di pengirim - naik, karena ada kemungkinan lebih besar bahwa beberapa fluktuasi, seperti sumber gelombang radio lain seperti bintang-bintang dan fenomena astrofisika, atau bahkan fluktuasi termal dalam perangkat penerima itu sendiri, dapat dianggap mewakili data.

Sebagai hasilnya, untuk memastikan bahwa bit-bit itu berhasil melewatinya, mereka harus ditransmisikan untuk waktu yang lebih lama sehingga mereka dapat lebih jelas dibedakan atas latar belakang yang berisik dan tidak akan dibalik secara palsu. Semakin miskin SNR, semakin lama Anda perlu mengirimkan untuk membuatnya jelas. Cara lain untuk mengatakannya adalah ketika Anda memiliki latar belakang yang bising, dan Anda menghidupkan pemancar, itu menciptakan bias statistik dalam fluktuasi kebisingan ketika transmisinya menjadi ditumpangkan pada mereka, misalnya menempatkan variasi sinusoidal di atasnya.

Pada tingkat yang sangat rendah, bias statistik ini sangat kecil dan karenanya memerlukan waktu pengambilan sampel yang lama untuk mengumpulkan data yang cukup untuk menggodanya dengan probabilitas tinggi dan karena Anda tidak tahu data apa yang datang kepada Anda menurut definisi, Anda menginginkan hal yang Anda inginkan. Sedang mencoba menggoda agar dapat diprediksi selama waktu penggodaan, dan dengan demikian Anda harus mengirim hanya satu jenis sinyal spesifik selama waktu itu dan tidak beralih di antara bit, membatasi laju bit ke waktu yang tepat.

Teorema matematika yang disebut Teorema Shannon-Hartley menganalisis ini secara tepat dan memberikan batasan yang tepat pada seberapa cepat Anda dapat mentransmisikan data dan masih dapat diandalkan untuk mendengar tingkat kebisingan yang diberikan relatif terhadap kekuatan sinyal transmisi.

Untuk pemahaman tentang skala spasial yang terlibat di sini dan dengan demikian persis apa yang dihadapinya: telepon Anda harus berhadapan dengan menara sel mungkin 10 km jauhnya ... tapi di sini probe dengan mudah lebih dari 6.000 Gm jauhnya (yang 6.000 miliar meter dan jadi 600 juta kali lebih jauh), dan tentu saja kita membutuhkan antena yang sangat besar, dan karena kekhawatiran yang baru saja disebutkan, laju transmisi terbatas, seperti dikatakan, sekitar 1 kbit / dt, mengambil milidetik penuh untuk setiap bit yang ditransmisikan, dibandingkan telepon Anda di beberapa Mbit / s atau lebih.

Untuk men-downlink gambar 640x480 8-bit yang tidak terkompresi (skala abu-abu) dengan kecepatan 1 kbit / s, dibutuhkan 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s atau 2,5 ks (kiloseconds). Gambar UHD 4K akan membutuhkan 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks untuk di-downlink, atau bagian yang lebih baik dalam sehari (86,4 ks). Bandingkan dengan koneksi internet domestik broadband Anda di mana streaming video 4K (hingga 60 frame per detik sehingga empat juta kali lebih cepat) turun dengan mudah. (TAMBAHKAN CATATAN: seperti yang disebutkan dalam komentar, perbandingan terakhir ini mungkin tidak sepenuhnya akurat karena ada juga sejumlah besar kompresi (lossy) pada stream 4K "nyata", atau streaming video Internet apa pun dalam hal ini, yang tidak dapat diterima untuk data ilmiah high-fidelity yang terbaik hanya dapat menggunakan kompresi lossless murni hanya agar tidak menimbulkan kesalahan yang tidak perlu.

Meskipun tanpa kompresi, koneksi internet 100 Mbit / s Anda yang layak masih dapat men-downlink mungkin sekitar 1-2 frame video per detik yang masih cukup untuk memahami sesuatu yang dapat dimengerti sebagai gerakan, meskipun sangat lambat dan bertahap, dan jauh lebih tinggi daripada kecepatan data yang dicapai di sini sedikit lebih dari satu bingkai per hari.)

Ini juga salah satu alasan mengapa eksplorasi Mars akan dibantu secara signifikan, dan telah diusulkan untuk menggunakan, robotik telepresence yang dikendalikan dari basis manusia dekat, tetapi dalam orbit, planet ini.

TAMBAH: Lebih akurat, jarak ke 2014 MU ₆₉ adalah sekitar 6600 Gm.

Di atas laju transmisi data yang lambat (dijelaskan dalam jawaban astrosnapper ), saya pikir ada baiknya menunjukkan bahwa Cakrawala Baru akan memasuki konjungsi matahari minggu depan, artinya kita tidak akan dapat menerima transmisi apa pun darinya karena Matahari menghalangi mereka.
Saya tidak tahu berapa kali ini akan terjadi selama 24 bulan itu, tetapi itu merupakan alasan tambahan untuk menunggu lama.

Sumber: Konferensi Berita NASA [ 42:18 ]

Hanya untuk menaruh beberapa perspektif pada hal-hal:

1. Cakrawala Baru benar-benar jauh dari Bumi.

Pada saat pendekatan terdekat, Cakrawala Baru berada lebih dari 6.600.000.000 kilometer jauhnya dari Bumi. Ini sekitar 6 jam cahaya. Dan pesawat ruang angkasa terus semakin jauh sekitar 14 kilometer per detik.

2. Transmisi dari jauh lebih lemah.

The persegi hukum menyatakan bahwa intensitas hal-hal seperti sinyal radio dan sumber cahaya (energi per satuan luas yang tegak lurus ke sumber) berbanding terbalik dengan kuadrat jarak. Itu berarti menggandakan jarak menghasilkan kita hanya menerima seperempat energi.

3. Cakrawala Baru hanya memiliki begitu banyak kekuatan untuk dikerjakan .

Pesawat ruang angkasa ini ditenagai oleh RTG (generator termoelektrik radioisotop) yang mengandung ~ 11 kg Plutonium-238. Saat diluncurkan, ini menghasilkan 245 watt (dengan arus langsung 30 volt), tetapi karena peluruhan radioaktif, ini berkurang menjadi 200 watt pada saat flyby Pluto Juli 2015, dan selanjutnya menjadi 190 watt pada saat Januari 2019 MU69 flyby.

Untuk transmisi data, ia memiliki antena parabola dengan gain tinggi berdiameter 2.1 meter, antena parabola dengan gain sedang berdiameter 30 sentimeter, dan dua antena lebar-gain, antena dengan gain rendah. Balok gain tinggi lebarnya 0,3 derajat, dan balok gain sedang lebarnya 4 derajat (digunakan dalam situasi ketika penunjuk mungkin tidak seakurat). Sistem radio New Horizon ditenagai oleh TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier), yang mengonsumsi 12 watt. (Itu hampir sama dengan bola lampu CFL modern !)

Sebenarnya ada dua TWTA untuk redundansi; satu dengan polarisasi sirkular kiri, dan satu dengan polarisasi sirkular kanan. Setelah diluncurkan, mereka menemukan trik untuk menggunakan kedua TWTA pada saat yang sama, yang meningkatkan kecepatan transfer data sebesar 1,9 kali. Mereka menggunakan mode dua-TWTA ini untuk mendapatkan kembali semua data dari flyby Pluto .

4. Ada batas seberapa sensitif antena di Bumi.

Meskipun kami mendengarkan transmisi New Horizon menggunakan antena parabola berukuran 70 meter dari Deep Space Network , ada titik di mana ia mulai semakin sulit untuk membedakan sinyal di antara lautan white noise dan gangguan lainnya, karena sinyalnya sangat lemah. .

Ini piring 70 meter dari Madrid. Sulit melakukan jauh lebih baik dari ini.

5. Jadi, kecepatan downlink harus dibatasi karena sinyal yang sangat lemah.

Seperti yang diuraikan dalam jawaban The_Sympathizer , rasio sinyal-ke-noise semakin rendah ketika sinyal semakin redup, sehingga Anda harus mengirimkan data lebih lambat untuk memastikan bahwa data yang Anda terima benar.

NASA memiliki halaman interaktif yang rapi yang menunjukkan apa yang dilakukan masing-masing antena di DSN saat ini. Berikut screenshot dari 3 Januari 2019, 01:11 UTC:

Seperti yang Anda lihat, sinyal bahwa antena ini menerima dari New Horizons hanya memiliki kekuatan 1,29E-18 W. Itu 1,29 attowatt. Itu sangat lemah.

Jadi, sebagai akibat dari sinyal yang redup, sepertinya orang-orang di NASA memutuskan untuk membatasi laju downlink sekitar 1000 bit per detik (125 byte per detik), sebagai keseimbangan optimal antara integritas data dan kecepatan downlink.

Sebagai perbandingan, beranda https://google.ca (saat Anda tidak masuk) keluar sekitar 1 MB. Jadi, jika Anda mencoba membuka beranda Google dengan kecepatan downlink New Horizons, itu akan memakan waktu lebih dari 2 jam untuk memuat halaman sepenuhnya.

6. Ada banyak data.

New Horizons sibuk selama flyby. Ini mengumpulkan sekitar 50 gigabit data (6 GB). Jadi pada 1.000 bit per detik, on-and-off ( konjungsi matahari yang Luis G. tunjukkan juga akan secara singkat menunda transfer data), itu akan memakan waktu sekitar 20 bulan untuk set lengkap data flyby Ultima untuk dikirim. kembali ke Bumi.

Untuk perbandingan:

• Selama flyby Pluto pada Juli 2015, kecepatan downlink sekitar 2.000 bit per detik, dan butuh sekitar 15 bulan untuk mengunduh semua 55 gigabit (7 GB) data Pluto.
• Selama flyby Jupiter pada Februari 2007, kecepatan downlink sekitar 38.000 bit per detik.

Bacaan lebih lanjut: Inilah pertanyaan terkait yang menarik: Bagaimana cara menghitung data rate Voyager 1?