New Horizons에서 지구로 이미지를 전송하는 데 왜 시간이 오래 걸립니까?

방금 New Horizons 우주 탐사선이 태양계 가장자리에있는 약간의 먼 행성을지나 갔다 는 소식을 받았습니다 .

NASA에서 온 그 남자는 우리가 그 행성의 사진을 얻는 데 24 개월이 걸릴 수 있다고 말합니다.

태양계는 그렇게 크지 않습니까? 신호 전송이 느리기 때문에 속도가 느립니다. 그러나 전송이 왜 그렇게 느린가?

New Horizons는 Ultima Thule이라고도 알려진 Kuiper Belt Object (KBO) 2014 MU69를 통과했습니다 . KBO는 해왕성 궤도에서 바깥쪽으로 소행성 벨트 (Kuiper Belt)를 형성하며 그 중 명왕성이 벨트의 가장 큰 구성원입니다. Ultima Thule과의 만남에서 New Horizons의 7 개 계측기 모두가 데이터를 수집하고 있었지만 (모두는 아니지만) 수집 된 총 데이터는 약 50 기가비트 (약 55 기가비트의 데이터와 비교) 2015 년 명왕성 만남.

새로운 지평 이후명왕성보다 약 10 억 마일 더 멀고 3 년이 더 지나면 (작은) 송신기의 전력이 적고 신호가 훨씬 약합니다. 비트 전송률은 초당 약 1000 비트이므로이를 전송하는 50 기가비트는 초당 50e9 비트 / 1000 비트 = 50,000,000 초 또는 약 579 일이 소요됩니다. 365.25로 나누고 12를 곱하여 (거의) 달로 변환하면 실제로 모든 것을 다시 전송하는 데 약 19-20 개월이 걸린다는 것을 알 수 있습니다. 2019 년 1 월 1 일에 픽셀 해상도 당 약 300 미터 및 30km KBO에서 약 100 픽셀의 첫 번째 이미지를 수신해야합니다. KBO에서 약 300 픽셀의 두 번째 고해상도 이미지는 2019 년 1 월 2 일에 다운로드 될 예정입니다. 2019 년 1 월 2 일에이 이미지들이 공개되고 공개 될 예정인 기자 회견이있을 것입니다.Emily Lakdawalla의 Planetary Society 블로그 항목 )

초기 데이터 다운로드 후, 프레임에서 2014 MU69를 사용하여 어떤 이미지가 가장 좋은 데이터인지 확인하기 위해 일부 분석을 수행해야합니다. 2014 MU69의 위치에 대한 불확실성과 높은 만남의 속도를 감안할 때, 그들은 이미지의 스트립을 촬영해야했으며 모든 대상을 포함하지는 않습니다. 이러한 데이터는 다운 링크에서 우선 순위가 지정되므로 먼저 지상에 도착하여 먼저 분석 할 수 있습니다.

@ luis-g에서 언급했듯이 데이터 수신이 불가능할 때 5 일 기간 (2019 1 월 3 일 언론 브리핑에서 PI Alan Stern에 따라)을 유발하는 Solar 연결도 있습니다. 우리는 이것이 2020 년 1 월에 다시 발생할 것으로 예상하지만 이것들은 약. 10 일은 15W 전송이 ~ 40 억 마일을 이동하고 역 제곱 법으로 인해 떨어진 후 수신 된 신호의 약점에 의해 지배되는 시간에 큰 차이를 만들지 않습니다. 전송 된 데이터를 디코딩 할 수 있어야하고 전송할 데이터의 양이 있어야합니다.

다른 대답은 그것을 언급하지만 이것은 왜 더 많은 이론을 제공합니다 .

휴대 전화 나 Wi-Fi가 핫스팟에서 멀리 떨어져 있거나 셀 타워에 대한 명확한 액세스 라인을 얻지 못하는 경우, 전화 또는 Wi-Fi가 제대로 작동하지 않는 것과 같은 이유로 효과적으로 바 ": 신호가 약해져 신호 대 잡음비 (SNR)가 낮아집니다.

즉, 별과 천체 물리학 적 현상과 같은 다른 전파 원과 같이 약간의 변동이있을 가능성이 높기 때문에 오류율 (비트를 성공적으로 전송하지 못하고 발신자에게 올바르게 수신하지 못함)이 증가한다는 것을 의미합니다. 수신 장치 자체의 열 변동도 데이터를 나타내는 것으로 간주 될 수 있습니다.

결과적으로, 비트를 성공적으로 통과 시키려면, 잡음이 많은 배경에서보다 명확하게 구별 될 수 있고 가짜로 뒤집 히지 않도록 더 오랜 시간 동안 전송되어야합니다. SNR이 낮을수록 명확하게하기 위해 더 오래 전송해야합니다. 또 다른 방법은 잡음이 많은 배경을 가지고 송신기를 켤 때 전송이 중첩 될 때 잡음 변동에 통계적 편향을 만들어내는 것입니다 (예 : 사인 파형 변동을 맨 위에 둠).

매우 낮은 수준에서이 통계적 편향은 매우 작기 때문에 높은 확률로 데이터를 애타게하기에 충분한 데이터를 수집하기 위해 긴 샘플링 시간이 필요하며 정의에 따라 어떤 데이터가 제공되는지 알지 못하므로 원하는 것을 원합니다. 티징 시간 동안 가능한 한 예측 가능하도록 애타게하려고하므로 해당 시간 동안 단일 특정 유형의 신호 만 전송하고 비트간에 전환하지 말고 비트 레이트를 정확히 해당 시간으로 제한해야합니다.

Shannon-Hartley Theorem 이라는 수학적 정리 는 이것을 정확하게 분석하고 얼마나 빨리 데이터를 전송할 수 있는지에 대한 정확한 경계를 제공하며, 전송 신호의 강도와 관련하여 주어진 수준의 노이즈에 대해 안정적으로들을 수 있습니다.

여기에 관련된 공간 스케일과 그에 대한 정확한 스케일을 이해하려면 휴대 전화가 10km 떨어진 셀 타워를 처리해야하지만 프로브는 6000 Gm 이상 떨어져 있습니다 (6000 억 미터 및 따라서 6 억 배 더), 당연히 우리는 매우 큰 안테나가 필요합니다. 방금 언급 한 문제 때문에 전송 속도는 약 1kbit / s로 제한되어 있습니다. 몇 Mbit / s 이상의 전화기.

압축되지 않은 8 비트 (회색조) 640x480 영상을 1kbit / s의 속도로 다운 링크하려면 640 * 480 * 8 / 1000 ~ 2500s 또는 2.5ks (킬로 초)가 걸립니다. 4K UHD 이미지는 다운 링크 또는 하루의 더 나은 부분 (86.4 ks)에 3840 * 2160 * 8 / 1000 ~ 66 ks가 소요됩니다. 4K 비디오 스트리밍 (초당 최대 60 프레임이므로 4 백만 배 더 빠름)이 가능한 광대역 국내 인터넷 연결과 비교해보십시오 . (ADD 참고 사항 : 의견에서 언급 했듯이이 마지막 비교는 "실제"4K 스트림 또는 그 문제에 대한 인터넷 비디오 스트림에 상당한 양의 (손실) 압축이 있기 때문에 완전히 정확하지 않을 수 있습니다. 불필요한 오류가 발생하지 않도록 순전히 무손실 압축 만 사용할 수있는 고 충실도 과학 데이터.

그러나 압축이 없어도 일반적으로 괜찮은 100 Mbit / s 인터넷 연결은 초당 약 1-2 프레임의 비디오를 다운 링크 할 수 있으며 여전히 느리고 점진적이지만 모션으로 이해할 수있는 것을 인식하기에 충분합니다. 여기에서 하루에 하나 이상의 프레임으로 달성되는 데이터 속도보다 훨씬 높습니다.)

이것은 또한 화성 탐사가 지구 근처 또는 궤도의 인간 기지에서 제어되는 텔레프레즌스 로봇 기술에 의해 크게 도움을받을 수있는 이유 중 하나이기도합니다.

추가 :보다 정확하게 는 2014 MU ₆₉ 까지의 거리는 약 6600 Gm입니다.

느린 데이터 전송 속도 ( astrostroper의 답변에 설명되어 있음) 외에도 New Horizons가 다음 주에 태양 연결에 들어갈 것이라고 지적 할 가치가 있다고 생각합니다. 그들을 차단.
24 개월 동안 몇 번이나 이런 일이 일어날지는 모르겠지만 오래 기다릴 또 다른 이유입니다.

출처 : NASA 기자 회견 [ 42:18 ]

사물에 대한 관점을 제시하십시오.

1. 뉴 호라이즌은 지구에서 멀리 떨어져 있습니다.

가장 가까운 접근 시점에 New Horizons는 지구에서 6,600,000,000 킬로미터 이상 떨어져있었습니다. 이것은 약 6 시간입니다. 그리고 우주선은 초당 약 14km 정도 더 멀어지고 있습니다.

2. 멀리서 전송하는 것이 약합니다.

역 제곱 법칙은 무선 신호 (소스에 수직 인 단위 면적당 에너지) 광 소스와 같은 것들의 세기는 거리의 제곱에 반비례하는 것을 말한다. 즉, 거리가 두 배가되면 에너지의 1/4 만 수신됩니다.

3. New Horizons에는 작업 할 수있는 권한 이 너무 많습니다 .

우주선은 ~ 11kg의 플루토늄 -238을 포함하는 단일 RTG (radioisotope thermoelectric generator)로 구동됩니다. 발사시 245 와트 (직류 30 볼트)의 전력을 생산했지만 방사성 붕괴로 인해 2015 년 7 월 명왕성 플라이 비시에는 200 와트로 줄 었으며 1 월에는 190 와트로 줄었다. 2019 MU69 플라이 비.

데이터 전송을 위해 2.1 미터 직경의 고 이득 접시 안테나, 30 센티미터 직경의 중이 득 접시 안테나 및 2 개의 넓은 빔, 저 이득 안테나가 있습니다. 고 이득 빔의 폭은 0.3도이고 중이 득 빔의 폭은 4 도입니다 (포인팅이 정확하지 않은 상황에서 사용). New Horizon의 무선 시스템 은 12W를 소비하는 TWTA (Traveling Wave Tube Amplifier)로 구동됩니다. (현대 CFL 전구 와 거의 같습니다 !)

중복성을 위해 실제로 두 개의 TWTA가 있습니다. 하나는 왼쪽 원형 편광이고 다른 하나는 오른쪽 원형 편광입니다. 출시 후 두 TWTA를 동시에 사용하는 트릭을 찾아 데이터 전송 속도를 1.9 배 늘 렸습니다. 그들은이 2-TWTA 모드를 사용 하여 Pluto 플라이 비에서 모든 데이터를 더 빨리 가져옵니다 .

4. 지구상의 안테나가 얼마나 민감한 지에 대한 한계가 있습니다.

딥 스페이스 네트워크 (Deep Space Network) 의 거대한 70 미터 접시 안테나를 사용하여 뉴 호라이즌의 전송을 수신하더라도 신호가 너무 약하기 때문에 화이트 노이즈와 기타 간섭 사이에서 신호를 식별하기가 어려워지는 시점이 있습니다. .

마드리드에서 70m 접시입니다. 이보다 훨씬 잘하는 것은 어렵습니다.

5. 신호가 매우 약하기 때문에 다운 링크 속도를 제한해야합니다.

The_Sympathizer의 답변 에서 자세히 설명했듯이 신호가 희미 해지면 신호 대 잡음 비율이 낮아 지므로 수신 데이터가 올바른지 확인하기 위해 데이터를 더 천천히 전송해야합니다.

NASA에는 DSN의 각 안테나가 현재하고있는 작업을 보여주는 깔끔한 대화식 페이지 가 있습니다. 2019 년 1 월 3 일 01:11 UTC의 스크린 샷입니다.

보시다시피,이 접시가 New Horizons에서 수신한다는 신호는 강도가 1.29E-18W에 불과합니다. 1.29attowatts입니다. 그것은 매우 약합니다.

따라서 희미한 신호의 결과 NASA 직원은 데이터 무결성과 다운 링크 속도 간의 최적 균형으로 초당 1000 비트 (초당 125 바이트)로 다운 링크 속도를 제한하기로 결정한 것 같습니다.

비교할 때 https://google.ca 홈페이지 (로그인하지 않은 경우)는 약 1MB입니다. 따라서 New Horizons 다운 링크 속도로 Google 홈페이지를 열려고 하면 페이지가 완전히로드되는 데 2 시간 이상이 걸렸 습니다 .

6. 많은 데이터가 있습니다.

비행 중에 New Horizons가 바빴습니다. 약 50 기가비트의 데이터 (6GB)를 수집했습니다. 따라서 초당 1,000 비트의 온-오프 ( Luis G.가 지적한 태양 연결로 인해 데이터 전송이 잠시 지연 될 수 있음) 에서 Ultima 플라이 비 데이터 전체를 전송하려면 약 20 개월 이 소요 됩니다. 다시 지구로.

비교하려고:

• 2015 년 7 월 Pluto 플라이 비 동안 다운 링크 속도는 초당 약 2,000 비트였으며 55 기가비트 (7GB)의 모든 Pluto 데이터를 다운로드하는 데 약 15 개월이 걸렸습니다.
• 2007 년 2 월 목성 비행 중에 다운 링크 속도는 초당 약 38,000 비트였습니다.

추가 정보 : 흥미로운 관련 질문이 있습니다 : Voyager 1의 데이터 속도를 계산하는 방법은 무엇입니까?