New Horizo​​nsから地球に画像を送信するのになぜそんなに時間がかかるのですか？

New Horizo​​nsというニュースを受け取りました宇宙探査機が、太陽系の端にある遠隔惑星を通過した。

NASAの男が、その惑星の写真を撮るのに24ヶ月かかるかもしれないと言って驚いた。

太陽系はそれほど大きくありませんよね？信号伝送が遅いため、遅いですよね？しかし、なぜ伝送がそんなに遅いのですか？

New Horizo​​nsは、カイパーベルトオブジェクト（KBO）2014 MU69を通過しました、Ultima Thuleとしても知られる。KBOは、海王星の軌道の外側から小惑星のベルト（カイパーベルト）を形成し、そのwhich王星はベルトの最大のメンバーです。Ultima Thuleとの遭遇中、New Horizo​​nsの7つの機器すべてがデータを収集していました（すべて同時にではありませんが）収集されたデータの合計は約50ギガビットのデータ（55ギガビットのデータと比較して） 2015年のPl王星との出会い）。

以来 ニューホライズンPl王星よりもさらに10億マイル先にあり、さらに3年が経過しているため、（小さな）送信機の電力が少なくなり、信号ははるかに弱くなります。ビットレートは約1000ビット/秒であるため、これを送信するための50ギガビットは50e9ビット/ 1000ビット/秒= 50,000,000秒または約579日かかります。365.25で除算し、12で乗算することにより（おおよそ）月に変換すると、すべてを送信するのに実際に約19〜20か月かかることがわかります。ピクセル解像度あたり約300メートル、つまり30 kmのKBOで約100ピクセルの最初の画像は、2019年1月1日に受信されます。KBOで約300ピクセルの2番目の高解像度画像は、2019年1月2日までにダウンロードされる予定です。2019年1月2日にこれらの画像がリリースされて表示される予定の記者会見があります。エミリー・ラクダワラの惑星協会のブログエントリ）

最初のデータのダウンロード後、フレーム内の2014 MU69でどの画像が最適なデータを持っているかを確認するために、何らかの分析を実行する予定です。2014 MU69の位置の不確実性と遭遇の高速性を考えると、彼らは一連の画像を撮影しなければならず、すべてがターゲットを含むわけではありません。これらのデータは、最初に地上に到着し、最初に分析できるように、ダウンリンクで優先順位が付けられます。

@ luis-gが述べたように、データの受信が不可能になる5日の期間（2019年1月3日の記者会見でのPI Alan Sternによる）を引き起こすソーラーコンジャンクションもあります。これは2020年1月に再び発生すると予想されますが、10日間は、15W伝送が約40億マイルを移動し、逆二乗の法則により低下した後、受信信号の弱さによって支配される時間に大きな差を生じません。送信されたデータをデコード可能にし、転送するデータ量を確保する必要があります。

他の答えはそれについて言及していますが、これは理由についてもう少し理論を与えます。

携帯電話やWi-Fiがホットスポットから離れているか、セルタワーへの明確なアクセス線を取得できない場合、電話やWi-Fiがうまく機能せず、一般的に「少ない」バー」：信号が弱くなり、結果として信号対雑音比（SNR）が低下します。

これは、エラー率-ビットを正常に送信できず、送信者で正しく受信できない-が上昇することを意味します。これは、星や天体物理現象などの他の電波源のように、何らかの変動が発生する可能性が高いためです、または受信デバイス自体の熱変動さえも、データを表すものとみなすことができます。

その結果、ビットが正常に通過できるようにするには、ノイズの多い背景でより明確に区別でき、誤って反転しないように、ビットをより長い時間送信する必要があります。SNRが低いほど、それを明確にするために送信する必要がある時間が長くなります。別の言い方をすれば、ノイズの多いバックグラウンドがあり、トランスミッターをオンにすると、伝送が重畳されるとノイズの変動に統計的なバイアスが発生します。たとえば、正弦波の変動が上になります。

非常に低いレベルでは、この統計的バイアスは非常に小さいため、高い確率でデータを抽出するのに十分なデータを収集するために長いサンプリング時間が必要であり、定義によってどのデータがあなたに届いているのかわからないため、からかい時間にわたって可能な限り予測可能になるようにからかうことを試みているので、その間、特定の種類の信号のみを送信し、ビットを切り替えずに、ビットレートを正確にその時間に制限する必要があります。

Shannon-Hartley Theoremと呼ばれる数学的定理は、これを正確に分析し、データを送信できる速度の正確な境界を与え、送信信号の強度に関連する特定のレベルのノイズで確実に聞こえるようにします。

ここに含まれる空間スケールを理解するために、それが何に対抗するのかを正確に理解するために：お使いの携帯電話はおそらく10km離れたセルタワーに対処する必要があります...しかし、ここではプローブは6000Gm以上離れています（6000 億メートル600がそう億さらに倍）、そして自然に私たちは非常に大きなアンテナを必要とし、なぜなら今述べた懸念の、伝送速度がに制限されている、などと比べ、送信ビット毎フルミリ秒を取って、1キロビット/秒程度、と述べました数Mbit / s以上の携帯電話。

1 kbit / sのレートで非圧縮8ビット（グレースケール）640x480画像をダウンリンクするには、640 * 480 * 8/1000〜2500 sまたは2.5 ks（キロ秒）かかります。4K UHDイメージでは、ダウンリンクに3840 * 2160 * 8/1000〜66 ks、または1日の大半（86.4 ks）がかかります。4Kビデオのストリーミング（最大60フレーム/秒で400万倍高速）が簡単にダウンするブロードバンドの国内インターネット接続と比較してください。（注を追加：コメントで述べたように、この最後の比較は、「実際の」4Kストリーム、またはその問題のインターネットビデオストリームにもかなりの（損失のある）圧縮があるため、完全に正確ではない場合があります。不必要なエラーが発生しないように、純粋にロスレス圧縮のみを使用できる高忠実度の科学データ。

ただし、圧縮しない場合でも、通常の100 Mbit / sのインターネット接続では、1秒あたり約1-2フレームのビデオをダウンリンクできます。これは、非常に遅く、インクリメンタルではありますが、モーションとして理解できるものを知覚するには十分ですここで達成されるデータレートよりもはるかに高く、1日に1フレーム以上です。）

これはまた、火星探査が惑星の近くにあるが軌道上にある人間の基地から制御されるテレプレゼンスロボット工学によって大幅に支援される理由の1つであり、使用することが提案されています。

追加：より正確には、2014 MU ₆₉までの距離は約6600 Gmです。

遅いデータ伝送速度（astrosnapperの回答で説明されている）に加えて、New Horizo​​nsが来週太陽の合流点に入ることを指摘する価値があると思います。それらをブロックします。
この24か月間でこれが何回起こるかはわかりませんが、それは長い（より長い）待機の追加の理由です。

出典：NASA News Conference [ 42:18 ]

物事にいくつかの視点を置くために：

1.ニューホライズンは地球から本当に遠く離れています。

最も近いアプローチの瞬間、ニューホライズンは地球から66億キロ以上離れていました。これは約6光時間です。そして、宇宙船は毎秒約14キロメートルも遠くへと進み続けています。

2.遠くからの送信は弱くなります。

逆二乗則無線信号と、（ソースに垂直な単位面積当たりのエネルギー）の光の源のようなものの強度は距離の二乗に反比例することを述べています。つまり、距離を2倍にすると、エネルギーの4分の1しか受け取れなくなります。

3. New Horizo​​nsには非常に強力な機能しかありません。

宇宙船は、プルトニウム238を最大11 kg含む単一のRTG（放射性同位体熱電発電機）によって駆動されます。打ち上げ時、これは245ワット（直流30ボルト）の電力を生成しましたが、放射性崩壊により、これは2015年7月のPl王星フライバイまでに200ワットに減少し、1月までに190ワットに減少しました2019 MU69フライバイ。

データ伝送用に、直径2.1メートルの高利得ディッシュアンテナ、直径30センチメートルの中利得ディッシュアンテナ、および2つのブロードビーム、低利得アンテナがあります。高ゲインビームの幅は0.3度、中ゲインビームの幅は4度です（ポインティングがそれほど正確でない場合に使用）。New Horizo​​nの無線システムは、12ワットを消費するTWTA（Traveling Wave Tube Amplifier）によって駆動されます。（これは、最新のCFL電球とほぼ同じです！）

実際には、冗長性のために2つのTWTAがあります。1つは左回りの円偏光、もう1つは右回りの円偏光です。打ち上げ後、彼らは両方のTWTAを同時に使用するトリックを見つけ出し、データ転送速度を1.9倍に増やしました。彼らはこの2 TWTAモードを使用して、Pl王星のフライバイからすべてのデータをより迅速に取得しました。

4.地球上のアンテナの感度には限界があります。

Deep Space Networkからの70メートルの巨大なディッシュアンテナを使用してNew Horizo​​nの送信をリッスンしますが、信号が非常に弱いため、ホワイトノイズやその他の干渉の海の中から信号を見分けるのが難しくなり始める点があります。

こちらがマドリードの70メートルの料理です。これよりはるかに良いことをするのは難しい。

5.したがって、信号が非常に弱いため、ダウンリンク速度を制限する必要があります。

The_Sympathizer's answerで詳しく説明されているように、信号が弱くなると信号対雑音比が低下するため、受信したデータが正しいことを確認するために、データをよりゆっくりと送信する必要があります。

NASAには、DSN内の各アンテナが現在何をしているかを示すわかりやすいインタラクティブページがあります。以下は、2019年1月3日01:11 UTCのスクリーンショットです。

ご覧のとおり、この料理がニューホライズンから受信している信号は、強度が1.29E-18 Wのみです。これは1.29アトワットです。それは非常に弱いです。

そのため、微弱な信号の結果として、NASAの人々は、データの整合性とダウンリンク速度の最適なバランスとして、毎秒約1000ビット（毎秒125バイト）でダウンリンクレートを制限することにしたようです。

比較として、https：//google.caホームページ（ログインしていない場合）は約1 MBになります。そのため、New Horizo​​nsダウンリンクの速度でGoogleホームページを開こうとすると、ページが完全にロードされるまでに2時間以上かかります。

6.大量のデータがあります。

フライバイの間、ニューホライズンは忙しかった。約50ギガビットのデータ（6 GB）を収集しました。そのため、1,000ビット/秒のオン/オフ（ルイスG.が指摘した太陽の結合により、データ転送が一時的に遅延します）、ウルティマフライバイデータの完全なセットが送信されるまでに約20か月かかります地球に戻る。

比較のために：

• 2015年7月のPl王星のフライバイでは、ダウンリンク速度は約2,000ビット/秒で、55ギガビット（7 GB）のPl王星データをすべてダウンロードするのに約15か月かかりました。
• 2007年2月のジュピターフライバイでは、ダウンリンク速度は約38,000ビット/秒でした。

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