为什么要将影像从“新视野”传输到地球需要这么长时间？

我刚得到一个消息，就是新视野太空探测器已经通过了太阳系边缘某个偏远的行星。

来自NASA的那个家伙说我可能需要24个月才能得到那颗行星的照片，这让我感到惊讶。

太阳系不是那么大，对不对？缓慢是因为信号传输缓慢，对吗？但是为什么传输如此缓慢？

新视野号刚刚通过了柯伊伯带天体（KBO）2014 MU69，也称为Ultima Thule。KBO从海王星的轨道向外形成一条小行星带（柯伊伯带），冥王星是该带的最大成员。在与Ultima Thule的相遇期间，New Horizo​​ns上的所有7台仪器都在收集数据（尽管不是全部同时进行），并且收集的总数据预计约为50千兆字节（相比之下，在此期间采集的55千兆字节数据） （2015年冥王星遭遇）。

自新视野比冥王星还要远十亿英里，而且已经过去了3年，（微型）发射器的功率更少，信号更弱。比特率大约为每秒1000位，因此要传输的50吉比特将花费50e9位/每秒1000位= 50,000,000秒或大约579天。通过将365.25除以12乘以（大致）可以将其转换成月份，这实际上确实需要大约19-20个月才能将所有内容传输回去。应该在2019年1月1日收到第一张图像，每像素分辨率约为300米，在30 km KBO上大约100像素。第二张高分辨率图像在KBO上大约300像素，预计在2019年1月2日下载。 。这些图片将在2019年1月2日举行新闻发布会，并显示出来。艾米莉·拉克达沃拉（Emily Lakdawalla）的行星学会博客条目）

在下载初始数据之后，他们希望进行一些分析，以查看帧中使用2014 MU69的图像具有最佳数据。考虑到2014年MU69的位置不确定以及遭遇的速度太快，他们不得不拍摄图像条带，并且并非所有图像都包含目标。这些数据将在下行链路中优先处理，因此它们首先到达地面，然后可以首先进行分析。

正如@ luis-g所提到的，当无法接收数据时，还有太阳活动会导致5天的时间段（根据PI Alan Stern在2019年1月3日的新闻发布会上的说法）。我们预计这种情况将在2020年1月再次发生，但大约 在15天传输行进约40亿英里并因平方反比而下降后，接收到的信号的弱点决定了接收时间的弱小，因此10天的时间并没有太大差别。需要使传输的数据可解码以及要传输的数据量。

另一个答案提到了它，但是这为为什么提供了更多的理论。

出于相同的原因，当手机或Wi-Fi距离热点较远或无法清晰接入蜂窝塔时，其运行速度变慢且速度变慢的原因也很有效，通常称为“很少”条”：信号变弱，结果信噪比（SNR）下降。

这意味着错误率（无法成功发送并无法在发送方正确接收）的比率上升，这是因为某些波动（例如其他无线电波源，例如恒星和天体物理学现象）或其他波动的可能性更大，或者甚至接收设备本身内部的热波动也可以视为代表数据。

结果，为了确保这些位成功通过，必须将它们传输更长的时间，以便可以在嘈杂的背景下更清晰地区分它们，并且不会被虚假地翻转。SNR越差，您需要传输越长的时间来使其清晰可见。另一种说法是，当您的背景嘈杂并打开发射机时，由于其传输叠加在噪声波动上，因此会在噪声波动中产生统计偏差，例如将正弦变化放在顶部。

在非常低的水平上，此统计偏差非常小，因此需要较长的采样时间来收集足够的数据以极有可能进行梳理，并且由于您不知道从定义上来的数据是什么，所以您想要的东西试图在逗弄时间内尽可能地预测可预测性，因此您必须在该时间内仅发送一种特定类型的信号，并且不要在位之间进行切换，从而将位速率限制在该时间范围内。

称为Shannon-Hartley定理的数学定理可以对此进行精确分析，并给出关于数据传输速度的精确范围，以及在给定的噪声水平（相对于传输信号的强度）下仍能可靠地听到数据的确切界限。

为了了解此处涉及的空间尺度以及确切地要面对的问题：您的手机必须处理可能在10公里外的一个信号塔……但是这里的探针很容易超过6000 Gm（即6000 亿米，因此进一步增加了6 亿次），自然地我们需要一个非常大的天线，并且由于刚才提到的问题，传输速率被限制为大约1 kbit / s，相对于传输的每个比特要花整毫秒您的电话速度达到或超过数Mbit / s。

要以1 kbit / s的速率下行传输未压缩的8位（灰度）640x480图片，需要640 * 480 * 8/1000〜2500 s或2.5 ks（毫秒）。4K UHD图像需要3840 * 2160 * 8/1000〜66 ks到下行链路，或者一天的大部分时间（86.4 ks）。相比之下，您的宽带家庭互联网连接可以轻松处理4K视频流（每秒高达60帧，因此速度提高了四百万倍）。（请注意：如评论中所述，由于在“实际” 4K流或与此相关的任何Internet视频流上也存在大量（有损）压缩，因此最后的比较可能并不完全准确。高保真科学数据，最多只能使用纯无损压缩，以免引入不必要的错误。

但是，即使没有压缩，您通常还不错的100 Mbit / s的Internet连接仍然能够每秒每秒下行约1-2帧视频，这足以感知一些可以理解为运动的内容，尽管速度大大降低且逐渐增加，并且远远高于此处每天达到一帧以上的数据速率。）

这也是火星探测将受到来自地球附近但在地球轨道上的人类基地控制的远程呈现机器人的大力支持的原因之一，并且已提出使用该技术。

添加：更准确地说，到2014年MU ₆₉的距离约为6600 Gm。

除了缓慢的数据传输速率（在astrosnapper的答案中解释）之外，我认为值得指出的是，新视野号将在下周进入太阳联合，这意味着由于太阳，我们将无法从中接收任何传输阻止他们。
我不知道在过去的24个月中会发生多少次，但这是漫长等待的另一个原因。

资料来源：NASA新闻发布会[ 42:18 ]

只是为了对事物有一些看法：

1.新视野真的离地球很远。

在最接近的时刻，新视野号距离地球超过66亿公里。这大约是6个光时。而且，航天器正在以每秒约14公里的速度继续前进。

2.距离较远的传输较弱。

的平方反比定律指出的之类的无线电信号和光量（每单位面积的能量垂直于源极）源的强度是反比于距离的平方。这意味着距离加倍导致我们仅接收四分之一的能量。

3. New Horizo​​ns仅具有如此强大的功能。

该航天器由一个包含约11千克P 238的RTG（放射性同位素热电发生器）提供动力。在发射时，它产生了245瓦（在直流30伏时）的功率，但是由于放射性衰变，到2015年7月冥王星飞越时，功率下降到200瓦，到一月时进一步下降到190瓦。 2019 MU69飞越。

为了进行数据传输，它具有一个直径2.1米的高增益碟形天线，一个直径30厘米的中增益碟形天线和两个宽波束，低增益天线。高增益光束的宽度为0.3度，中增益光束的宽度为4度（用于指向可能不太精确的情况）。New Horizo​​n的无线电系统由TWTA（行波管放大器）供电，功耗为12瓦。（与现代CFL灯泡差不多！）

实际上有两个TWTA用于冗余。一种具有左旋圆极化，另一种具有右旋圆极化。启动后，他们想出了同时使用两个TWTA的技巧，将数据传输速率提高了1.9倍。他们使用这种双TWTA模式可以更快地从冥王星飞越中获取所有数据。

4.地球上的天线有多敏感，这是一个极限。

即使我们使用来自深空网络的 70米碟形天线收听New Horizo​​n的传输，也有一个观点，即由于信号太弱，在白噪声和其他干扰的海洋中很难识别出该信号。

这是来自马德里的70米高的盘子。很难做得比这更好。

5.因此，由于信号非常弱，必须限制下行链路速度。

正如The_Sympathizer的答案中详述的那样，当信号变暗时，信噪比会降低，因此您必须更慢地传输数据，以确保接收到的数据正确。

NASA有一个简洁的交互式页面，显示DSN中每个天线当前正在做什么。这是UTC 2019年1月3日01:11的屏幕截图：

如您所见，这道菜从新视野号接收到的信号强度仅为1.29E-18W。那是1.29阿瓦。这是极其微弱的。

因此，作为微弱信号的结果，NASA的人们似乎决定将下行速率限制在每秒1000位（每秒125字节）左右，以在数据完整性和下行速度之间取得最佳平衡。

作为比较，https： //google.ca主页（未登录时）的大小约为1 MB。因此，如果您尝试以New Horizo​​ns下行链路的速度打开Goog​​le主页，则该页面将需要2多个小时才能完全加载。

6.有很多数据。

飞越期间，新视野很忙。它收集了大约50吉比特的数据（6 GB）。因此，以每秒1,000比特的速度进行开和关（Luis G.指出的太阳结点也会短暂延迟数据传输），整个Ultima飞越数据的发送大约需要20个月的时间回到地球。

为了比较：

• 在2015年7月的冥王星飞越期间，下行链路速度约为每秒2,000位，并且下载所有55吉比特（7 GB）的冥王星数据花了大约15个月的时间。
• 在2007年2月的木星飞越期间，下行链路速度约为每秒38,000位。

进一步阅读：这是一个有趣的相关问题：如何计算Voyager 1的数据速率？