Por que demora tanto tempo para transmitir uma imagem da New Horizons para a Terra?

Acabei de receber a notícia de que a sonda espacial da New Horizons passou por algum planeta remoto nos limites do sistema solar.

Fiquei surpreso que o cara da NASA diga que pode levar 24 meses para tirarmos a foto daquele planeta.

O sistema solar não é tão grande, certo? É lento porque a transmissão do sinal é lenta, certo? Mas por que a transmissão é tão lenta?

A New Horizons acaba de passar no Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69, também conhecido como Ultima Thule. Os KBOs formam um cinturão de asteróides (o Cinturão de Kuiper) da órbita de Netuno para fora e dos quais Plutão é o maior membro do Cinturão. Durante o encontro com Ultima Thule, todos os 7 instrumentos da New Horizons estavam coletando dados (embora nem todos ao mesmo tempo) e o total de dados coletados deve ser de cerca de 50 gigabits de dados (em comparação com 55 gigabits de dados coletados durante o encontro de Plutão em 2015).

Desde a New Horizonsestá a cerca de mais um bilhão de milhas mais longe do que Plutão e mais 3 anos se passaram, há menos energia para o (minúsculo) transmissor e os sinais são muito mais fracos. A taxa de bits é de cerca de 1000 bits por segundo e, portanto, os 50 gigabits para transmitir isso levarão 50e9 bits / 1000 bits por segundo = 50.000.000 segundos ou cerca de 579 dias. Converter (aproximadamente) em meses, dividindo por 365,25 e multiplicando por 12, mostra que levará de 19 a 20 meses para transmitir tudo de volta. A primeira imagem com resolução de cerca de 300 metros por pixel e aproximadamente 100 pixels no KBO de 30 km deve ser recebida em 1º de janeiro de 2019. Espera-se que uma segunda imagem de resolução mais alta com cerca de 300 pixels no KBO seja baixada até 2 de janeiro de 2019 Haverá uma conferência de imprensa em 2 de janeiro de 2019, quando essas imagens deverão ser divulgadas e exibidas.Entrada do blog da Sociedade Planetária de Emily Lakdawalla )

Após o download inicial dos dados, eles esperam realizar algumas análises para ver quais imagens têm os melhores dados com o MU69 2014 no quadro. Dada a incerteza na posição do MU69 de 2014 e a alta velocidade do encontro, eles tiveram que filmar tiras de imagens e nem todas conterão o alvo. Esses dados serão priorizados no downlink para que cheguem primeiro ao solo e possam ser analisados ​​primeiro.

Como mencionado por @ luis-g, também há a conjunção Solar que causará um período de 5 dias (de acordo com PI Alan Stern no briefing de imprensa de 3 de janeiro de 2019) quando a recepção dos dados não será possível. Esperamos que isso ocorra novamente em janeiro de 2020, mas esses aprox. 10 dias não fazem grande diferença no tempo gasto, dominado pela fraqueza do sinal recebido após a transmissão de 15W percorrer os ~ 4 bilhões de milhas e cair devido à lei do quadrado inverso, a correspondente baixa taxa de bits permitida pelo precisa ter os dados transmitidos decodificáveis ​​e a quantidade de dados a serem transferidos.

A outra resposta menciona isso, mas isso dá um pouco mais de teoria sobre o porquê .

É efetivamente pelo mesmo motivo que o telefone ou o Wi-Fi não funcionam tão bem e diminuem a velocidade quando estão longe do ponto de acesso ou não conseguem uma linha clara de acesso à torre de celular, mais conhecida como tendo "poucos" barras ": o sinal fica mais fraco e, como resultado, a relação sinal / ruído (SNR) diminui.

Isso significa que a taxa de erro - falha na transmissão bem-sucedida e recebida corretamente no remetente - aumenta, porque há uma probabilidade maior de que alguma flutuação, como outras fontes de ondas de rádio, como estrelas e fenômenos astrofísicos, ou até a flutuação térmica dentro dos próprios dispositivos receptores pode ser considerada como representando dados.

Como resultado, para garantir que os bits passem com êxito, eles precisam ser transmitidos por mais tempo, para que possam ser mais claramente distinguidos sobre esse fundo barulhento e não serão falsificados. Quanto mais pobre o SNR, mais tempo você precisa transmitir para deixar claro. Outra maneira de dizer isso é que, quando você tem um fundo barulhento e liga o transmissor, ele cria um viés estatístico nas flutuações de ruído à medida que suas transmissões se sobrepõem a elas, por exemplo, colocando uma variação sinusoidal em cima.

Em níveis muito baixos, esse viés estatístico é muito pequeno e, portanto, requer um longo tempo de amostragem para coletar dados suficientes para apresentá-los com alta probabilidade e, como você não sabe quais dados estão chegando, por definição, você quer o que deseja. está tentando provocar a maior previsibilidade possível ao longo do tempo de provocação e, portanto, você deve enviar apenas um tipo específico de sinal nesse período e não alternar entre bits, limitando a taxa de bits exatamente nesse período.

Um teorema matemático chamado Teorema de Shannon-Hartley analisa isso com precisão e fornece os limites exatos de quão rápido você pode transmitir dados e ainda assim ter ouvido de maneira confiável sobre um determinado nível de ruído em relação à força do sinal transmissor.

Para uma compreensão das escalas espaciais envolvidas aqui e, portanto, exatamente o que está acima de encontro: o seu telefone tem de lidar com uma torre de celular talvez 10 km de distância ... mas aqui as sondas são facilmente mais de 6000 Gm longe (que é 6000 bilhões de metros e 600 milhões de vezes mais) e, naturalmente, precisamos de uma antena muito grande e, devido às preocupações mencionadas, a taxa de transmissão é limitada a, como dito, cerca de 1 kbit / s, levando um milissegundo completo para cada bit transmitido, versus seu telefone a vários Mbit / s ou mais.

Para fazer o downlink de uma imagem não compactada de 640x480 de 8 bits (escala de cinza) a uma taxa de 1 kbit / s, é necessário 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s ou 2,5 ks (quilossegundos). Uma imagem 4K UHD levaria 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks para fazer o downlink, ou a maior parte do dia (86,4 ks). Compare isso à sua conexão doméstica à Internet de banda larga, onde a transmissão de vídeo em 4K (até 60 quadros por segundo, quatro milhões de vezes mais rápido) diminui com facilidade. (ADICIONE NOTA: conforme mencionado nos comentários, essa última comparação pode não ser totalmente precisa, pois também há uma quantidade significativa de compactação (com perdas) em fluxos 4K "reais" ou em qualquer fluxo de vídeo da Internet, o que é inaceitável para dados científicos de alta fidelidade que podem, na melhor das hipóteses, usar compressão puramente sem perdas, para não introduzir erros desnecessários.

Mesmo sem compressão, no entanto, sua conexão à Internet normalmente decente de 100 Mbit / s ainda seria capaz de fazer o downlink de cerca de 1-2 quadros de vídeo por segundo, o que ainda é suficiente para perceber algo compreensível como movimento, embora muito lento e incremental, e muito mais alto do que as taxas de dados alcançadas aqui de um pouco mais de um quadro por dia.)

Essa também é uma das razões pelas quais a exploração marciana seria significativamente auxiliada e foi proposto o uso de robótica de telepresença controlada a partir de uma base humana próxima, mas em órbita, do planeta.

ADICIONAR: Mais precisamente, a distância para 2014 MU ₆₉ é de cerca de 6600 Gm.

Além da baixa taxa de transmissão de dados (explicada na resposta do astrosnapper ), acho que vale a pena ressaltar que a New Horizons entrará em conjunção solar na próxima semana, o que significa que não poderemos receber transmissões dela devido ao sol bloqueando-os.
Não sei quantas vezes isso acontecerá nesses 24 meses, mas é um motivo adicional para a longa (er) espera.

Fonte: Conferência de imprensa da NASA [ 42:18 ]

Apenas para colocar uma perspectiva sobre as coisas:

1. New Horizons está muito longe da Terra.

No momento da aproximação mais próxima, a New Horizons estava a mais de 6.600.000.000 de quilômetros da Terra. São cerca de 6 horas-luz. E a sonda continua avançando cerca de 14 quilômetros por segundo.

2. As transmissões de mais longe são mais fracas.

A lei do quadrado inverso afirma que a intensidade de coisas como sinais de rádio e fontes de luz (energia por unidade de área perpendicular à fonte) é inversamente proporcional ao quadrado da distância. Isso significa duplicar os resultados da distância, recebendo apenas um quarto da energia.

3. New Horizons só tem tanto poder para trabalhar .

A sonda é alimentada por um único RTG (gerador termoelétrico de radioisótopo) que contém ~ 11 kg de Plutônio-238. No lançamento, isso produziu 245 watts (a 30 volts de corrente contínua) de energia, mas, devido ao decaimento radioativo, ele diminuiu para 200 watts na época do sobrevôo de Plutão em julho de 2015 e para 190 watts na época de janeiro 2019 MU69 sobrevôo.

Para transmissão de dados, possui uma antena parabólica de alto ganho com 2,1 metros de diâmetro, uma antena parabólica de ganho médio com 30 centímetros de diâmetro e duas antenas de feixe largo e baixo ganho. O feixe de alto ganho tem 0,3 graus de largura e o feixe de ganho médio tem 4 graus de largura (usado em situações em que o apontamento pode não ser tão preciso). O sistema de rádio da New Horizon é alimentado por um TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier), que consome 12 watts. (Isso é quase o mesmo que uma lâmpada CFL moderna !)

Na verdade, existem dois TWTAs para redundância; um com polarização circular à esquerda e outro com polarização circular à direita. Após o lançamento, eles descobriram um truque para usar os dois TWTAs ao mesmo tempo, o que aumentou a taxa de transferência de dados em 1,9 vezes. Eles usaram esse modo de dois TWTA para recuperar todos os dados do sobrevôo de Plutão mais rapidamente .

4. Há um limite de quão sensíveis as antenas da Terra podem ser.

Embora escutemos as transmissões da New Horizon usando enormes antenas parabólicas de 70 metros da Deep Space Network , chega um ponto em que fica difícil discernir o sinal entre um mar de ruído branco e outras interferências, porque o sinal é muito fraco .

Aqui está o prato de 70 metros de Madri. É difícil fazer muito melhor que isso.

5. Portanto, a velocidade do downlink deve ser restringida devido ao sinal muito fraco.

Conforme elaborado na resposta do Sympathizer , a relação sinal / ruído diminui quando o sinal fica mais fraco e, portanto, você deve transmitir os dados mais lentamente para garantir que os dados recebidos estejam corretos.

A NASA tem uma página interativa elegante que mostra o que cada antena no DSN está fazendo no momento. Aqui está uma captura de tela de 3 de janeiro de 2019, 01:11 UTC:

Como você pode ver, o sinal que esta antena está recebendo da New Horizons tem apenas 1,29E-18W de força. São 1,29 attowatts. Isso é extremamente fraco.

Portanto, como resultado do sinal fraco, parece que as pessoas da NASA decidiram restringir a taxa de downlink em cerca de 1000 bits por segundo (125 bytes por segundo), como um equilíbrio ideal entre a integridade dos dados e a velocidade do downlink.

Como ponto de comparação, a página inicial https://google.ca (quando você não está conectado) sai com cerca de 1 MB. Portanto, se você tentasse abrir a página inicial do Google na velocidade do downlink da New Horizons, levaria mais de duas horas para a página carregar completamente.

6. Há muitos dados.

New Horizons estava ocupado durante o sobrevôo. Ele coletou cerca de 50 gigabits de dados (6 GB). Assim, a 1.000 bits por segundo, ligado e desligado (a conjunção solar que Luis G. apontou também atrasará brevemente a transferência de dados), levará cerca de 20 meses para o envio completo do conjunto de dados de sobrevôo Ultima de volta à Terra.

Para comparação:

• Durante o sobrevôo de Plutão em julho de 2015, a velocidade do downlink foi de cerca de 2.000 bits por segundo e demorou cerca de 15 meses para baixar todos os 55 gigabits (7 GB) de dados de Plutão.
• Durante o sobrevôo de Júpiter em fevereiro de 2007, a velocidade do downlink foi de cerca de 38.000 bits por segundo.

Leitura adicional: Aqui está uma questão interessante: Como calcular a taxa de dados do Voyager 1?