Pourquoi faut-il tant de temps pour transmettre une image de Nouveaux Horizons à la Terre?

Je viens de recevoir la nouvelle que la sonde spatiale New Horizons a été dépassée par une planète lointaine à la périphérie du système solaire.

J'ai été surpris que le gars de la NASA dise que cela pourrait prendre 24 mois pour obtenir la photo de cette planète.

Le système solaire n'est pas si gros, non? C'est lent parce que la transmission du signal est lente, non? Mais pourquoi la transmission est-elle si lente?

New Horizons vient de passer le KUB 2014 de Kuiper Belt Object (KBO), également appelé Ultima Thule. Les KBO forment une ceinture d'astéroïdes (la ceinture de Kuiper) à partir de l'orbite de Neptune et dont Pluton est le membre le plus important. Lors de la rencontre avec Ultima Thule, les 7 instruments de New Horizons collectaient des données (mais pas tous en même temps) et le total des données collectées devrait représenter environ 50 gigabits de données (contre 55 gigabits de données prises au cours de la rencontre de Pluton en 2015).

Depuis de nouveaux horizonsIl reste environ un milliard de kilomètres de plus que Pluton et trois années de plus se sont écoulées. L’émetteur (électrique) est moins puissant et les signaux sont beaucoup plus faibles. Le débit binaire est d’environ 1000 bits par seconde et les 50 gigabits à transmettre prendront 50e9 bits / 1000 bits par seconde = 50 000 000 secondes ou environ 579 jours. En convertissant (environ) en mois en divisant par 365,25 et en multipliant par 12, il faut en fait environ 19 à 20 mois pour tout retransmettre. La première image à une résolution d'environ 300 mètres par pixel, soit environ 100 pixels sur 30 km de KBO, devrait être reçue le 1 er janvier 2019. Une deuxième image de résolution supérieure, avec environ 300 pixels sur l'ensemble de la KBO, devrait être téléchargée d'ici le 2 janvier 2019. Il y aura une conférence de presse le 2 janvier 2019 au moment où ces images doivent être diffusées et montrées.Entrée du blog de la Planetary Society d’Emily Lakdawalla )

Après le téléchargement initial des données, ils s'attendent à effectuer une analyse pour voir quelles images contiennent les meilleures données avec 2014 MU69 dans le cadre. Compte tenu de l'incertitude dans la position de MU69 2014 et de la rapidité de la rencontre, ils ont dû filmer des bandes d'images et ne doivent pas tous contenir la cible. Ces données seront classées par ordre de priorité dans la liaison descendante afin qu’elles arrivent d’abord sur le sol et puissent être analysées en premier.

Comme mentionné par @ luis-g, il existe également une conjonction solaire qui provoquera une période de 5 jours (selon PI Alan Stern lors du point de presse du 3 janvier 2019) lorsque la réception des données ne sera plus possible. Nous nous attendions à ce que cela se reproduise en janvier 2020, mais ces env. 10 jours ne font pas une grande différence dans le temps pris qui est dominé par la faiblesse du signal reçu après que la transmission 15W a parcouru environ 4 milliards de miles et tombe en raison de la loi carrée inverse, le faible débit correspondant autorisé par le avoir besoin des données transmises décodables et de la quantité de données à transférer.

L'autre réponse le mentionne, mais cela donne un peu plus de théorie sur le pourquoi .

C’est effectivement pour la même raison que votre téléphone ou votre réseau Wi-Fi ne fonctionne pas aussi bien et ralentit s’ils sont éloignés du point chaud ou ne peuvent pas obtenir une ligne d’accès claire à la tour de téléphonie cellulaire, plus communément appelée bars ": le signal devient plus faible et le rapport signal sur bruit (SNR) diminue.

Cela signifie que le taux d'erreur - échec de transmission réussie d'un bit et de réception correcte de celui-ci à l'expéditeur - augmente, car il est plus probable que certaines fluctuations, comme d'autres sources d'ondes radio, telles que les étoiles et les phénomènes astrophysiques, ou Même les fluctuations thermiques au sein des dispositifs récepteurs eux-mêmes peuvent être considérées comme des données représentatives.

Par conséquent, pour que les bits réussissent, ils doivent être transmis plus longtemps pour pouvoir être distingués plus clairement sur cet arrière-plan bruyant et ne pas être faussement inversés. Plus le SNR est faible, plus la transmission est longue pour le rendre clair. Une autre façon de dire est que lorsque vous avez un fond bruyant et que vous allumez l'émetteur, cela crée un biais statistique dans les fluctuations du bruit lorsque ses émissions se superposent, par exemple en ajoutant une variation sinusoïdale.

À des niveaux très bas, ce biais statistique est très faible et nécessite donc une longue période d'échantillonnage pour collecter suffisamment de données pour le déterminer avec une probabilité élevée. Etant donné que vous ne savez pas quelles données vous parviennent par définition, vous voulez ce que vous voulez. essayez de tacher pour être aussi prévisible que possible sur le temps de taquinerie, et vous ne devez donc envoyer qu’un seul type de signal spécifique sur cette heure-là et ne pas basculer entre les bits, ce qui limite le débit à exactement cette heure.

Un théorème mathématique appelé Théorème de Shannon-Hartley analyse cela avec précision et donne les limites exactes de la rapidité avec laquelle vous pouvez transmettre des données tout en les faisant entendre de manière fiable avec un niveau de bruit donné par rapport à la force du signal transmis.

Pour une compréhension des échelles spatiales impliquées ici et donc exactement ce que l' on est contre: votre téléphone doit faire face à une tour cellulaire peut - être à 10 km ... mais ici les sondes sont facilement plus de 6000 Gm loin (qui est de 6000 milliards de mètres et 600 millions de fois plus loin), et nous avons naturellement besoin d’une très grande antenne, et en raison des préoccupations évoquées plus haut, le débit de transmission est limité à environ 1 kbit / s, soit une milliseconde pour chaque bit transmis, par opposition à votre téléphone à plusieurs Mbit / s ou plus.

Pour lier une image 640x480 8 bits (niveaux de gris) non compressée à un débit de 1 kbit / s, une résolution de 640 * 480 * 8/1000 ~ 2500 s ou 2,5 kS (kilosecondes). Une image 4K UHD prend 3840 * 2160 * 8/1000 ~ 66 ks pour une liaison descendante, ou la plus grande partie de la journée (86,4 ks). Comparez cela à votre connexion Internet domestique à large bande où la vidéo 4K en streaming (jusqu'à 60 images par seconde, soit quatre millions de fois plus rapidement) se résorbe facilement. (AJOUTEZ NOTE: comme mentionné dans les commentaires, cette dernière comparaison peut ne pas être tout à fait exacte, car il existe également une quantité importante de compression (avec pertes) sur des flux "réels" 4K, ou sur tout flux vidéo Internet, ce qui est inacceptable pour données scientifiques haute fidélité utilisables au mieux uniquement en compression sans perte afin de ne pas introduire d'erreurs inutiles.

Cependant, même sans compression, votre connexion Internet à 100 Mbit / s, normalement décente, serait toujours capable de créer une liaison descendante d’environ 1 à 2 images vidéo par seconde, ce qui est encore suffisant pour percevoir quelque chose de compréhensible comme un mouvement, même si elle est considérablement ralentie et incrémentielle, et beaucoup plus élevé que les débits de données obtenus ici d’un peu plus d’une trame par jour).

C’est également l’une des raisons pour lesquelles l’exploration martienne serait considérablement facilitée et il a été proposé d’utiliser une robotique de téléprésence contrôlée à partir d’une base humaine proche de la planète, mais en orbite.

AJOUTER: Plus précisément, la distance jusqu'à la MU ₆₉ 2014 est d'environ 6600 Gm.

En plus du lent débit de transmission de données (expliqué dans la réponse d'astrosnapper ), je pense qu'il est utile de souligner que New Horizons entrera dans la conjonction solaire la semaine prochaine, ce qui signifie que nous ne pourrons en recevoir aucune transmission en raison du Soleil. les bloquer.
Je ne sais pas combien de fois cela se produira au cours de ces 24 mois, mais c'est une raison supplémentaire pour attendre plus longtemps.

Source: Conférence de presse de la NASA [ 42:18 ]

Juste pour mettre les choses en perspective:

1. New Horizons est vraiment loin de la Terre.

Au moment de l’approche la plus rapprochée, New Horizons se trouvait à plus de 6 600 000 000 kilomètres de la Terre. C'est environ 6 heures-lumière. Et le vaisseau spatial continue de s’éloigner d’environ 14 kilomètres par seconde.

2. Les transmissions de plus loin sont plus faibles.

La loi des carrés inverses stipule que l'intensité d'éléments tels que les signaux radio et les sources de lumière (énergie par unité de surface perpendiculaire à la source) est inversement proportionnelle au carré de la distance. Cela signifie que si nous doublons la distance, nous ne recevons qu'un quart de l'énergie.

3. New Horizons n’a que beaucoup de pouvoir avec lequel travailler .

L'engin spatial est alimenté par un seul RTG (générateur thermoélectrique à radio-isotopes) contenant environ 11 kg de plutonium 238. Au lancement, cela produisait 245 watts (à 30 volts de courant continu) de puissance, mais en raison de la désintégration radioactive, cette puissance était tombée à 200 watts lors du survol de Pluton en juillet 2015 et à 190 watts en janvier Survol du MU69 2019.

Pour la transmission de données, il possède une antenne parabolique à gain élevé de 2,1 mètres de diamètre, une antenne parabolique à gain moyen de 30 cm de diamètre et deux antennes à large faisceau à faible gain. Le faisceau à gain élevé a une largeur de 0,3 degré et le faisceau à gain moyen une largeur de 4 degrés (utilisé dans les situations où le pointage risque de ne pas être aussi précis). Le système radio de New Horizon est alimenté par un TWTA (amplificateur à tube à ondes progressives), qui consomme 12 watts. (C'est à peu près la même chose qu'une ampoule CFL moderne !)

Il y a en réalité deux TTT pour la redondance; une avec une polarisation circulaire gauche et une avec une polarisation circulaire droite. Après le lancement, ils ont découvert une astuce consistant à utiliser les deux TWTA en même temps, ce qui a multiplié par 1,9 le taux de transfert de données. Ils ont utilisé ce mode deux TWTA pour récupérer plus rapidement toutes les données du survol de Pluton .

4. Il y a une limite à la sensibilité des antennes sur Terre.

Même si nous écoutons les émissions de New Horizon avec d'énormes antennes paraboliques de 70 mètres provenant du Deep Space Network , il arrive un moment où il devient difficile de discerner le signal parmi une mer de bruit blanc et d'autres interférences, car le signal est si faible. .

Voici le plat de 70 mètres de Madrid. Il est difficile de faire beaucoup mieux que cela.

5. Il faut donc limiter la vitesse de la liaison descendante à cause du signal très faible.

Comme indiqué dans la réponse de The_Sympathizer , le rapport signal sur bruit diminue lorsque le signal diminue, vous devez donc transmettre les données plus lentement pour vous assurer que les données que vous recevez sont correctes.

La NASA a une page interactive très soignée qui montre ce que fait chaque antenne du DSN en ce moment. Voici une capture d'écran du 3 janvier 2019, 01h11 UTC:

Comme vous pouvez le constater, le signal que cette parabole reçoit de New Horizons n’est que de 1,29E-18 W en puissance. C'est 1,29 attowatts. C'est extrêmement faible.

Ainsi, à cause du faible signal, il semble que les gens de la NASA aient décidé de limiter le débit de la liaison descendante à environ 1 000 bits par seconde (125 octets par seconde), afin d'obtenir un équilibre optimal entre l'intégrité des données et la vitesse de la liaison descendante.

À titre de comparaison, la page d'accueil https://google.ca (lorsque vous n'êtes pas connecté) affiche environ 1 Mo. Ainsi, si vous tentiez d'ouvrir la page d'accueil Google à la vitesse de la liaison descendante de New Horizons, le chargement complet de la page prendrait plus de 2 heures .

6. Il y a beaucoup de données.

New Horizons était occupé pendant le survol. Il a collecté environ 50 gigabits de données (6 Go). Donc, à 1 000 bits par seconde, en marche et en arrêt (la conjonction solaire dont Luis G. a indiqué qu'elle retardera également brièvement le transfert des données), il faudra environ 20 mois pour que l'ensemble des données de survol Ultima soit envoyé. de retour sur Terre.

En comparaison:

• Au cours du survol de Pluto en juillet 2015, la vitesse de liaison descendante était d'environ 2 000 bits par seconde et il a fallu environ 15 mois pour télécharger les 55 gigabits (7 Go) de données Pluto.
• Lors du survol de Jupiter en février 2007, la vitesse de liaison descendante était d’environ 38 000 bits par seconde.

Lectures supplémentaires: Voici une question connexe intéressante: Comment calculer le débit de données de Voyager 1?