¿Cómo se comunicaría una nave extrasolar con la Tierra?

Dada la tecnología moderna, ¿qué tipo de ancho de banda podría esperar para la comunicación con una nave espacial extrasolar? Por ejemplo, ¿es posible el video HD? ¿Es seguro asumir que variaría según la distancia? ¿O son solo los requisitos de energía?

De hecho, espero un ancho de banda bajo donde se necesita mucho tiempo para comunicar datos textuales simples. Parte de la trama involucra un misterio que no se puede realizar por completo hasta que la sonda regrese a la Tierra.

Sin embargo, como nota, la energía no debería ser una preocupación, si ayuda a reducir el ancho de banda, la energía puede restringirse. No me importa qué tipo de tecnología se utilice para comunicarse, ondas de radio u otra cosa, aunque debería ser algo que tengamos la capacidad de crear hoy.

Cuando dice extra solar, ¿qué tipo de distancias está imaginando?
Todavía no he elegido un sistema solar, pero supongamos que la sonda regresa de una misión para explorar un sistema solar cercano.
Estás de suerte, pasarán años antes de que se pueda captar una señal porque transmitir a tales distancias requiere una gran cantidad de energía. Así que la sonda tendrá que acercarse.

Respuestas (2)

Una nave a distancias extremas de la Tierra se comunicaría utilizando la Red de Espacio Profundo , o algo muy parecido, que es una serie de antenas de radio espaciadas en todo el mundo con una separación de 120 grados. Estas estaciones de comunicación transmiten en un conjunto designado de frecuencias ( banda x y ka ) entre 20kw y 400kw de potencia.

Las velocidades de operación para la comunicación van desde 150 Mbps hasta 10 bps. Cerca de la Tierra, las comunicaciones son más rápidas, cuanto más te alejas, más lentas son las comunicaciones. La sonda New Horizons se comunica a 1kbit por segundo, lo cual es bastante rápido para enviar información de texto. Una sola imagen toma varios minutos, por lo que el video con la tecnología actual está fuera de discusión.

La buena noticia es que realmente no hay límite para el rango máximo en el que se pueden recibir las señales, siempre que se transmitan con suficiente potencia. Este documento establece que el DSN puede captar señales con una potencia de solo una milmillonésima de una milmillonésima de vatio de potencia. Esto pone la potencia de señal mínima de 1 × 10 − 25 w

Ahora podemos calcular la distancia máxima desde la que se puede recibir una señal usando la ecuación de densidad de potencia

PAG D = PAG GRAMO 4 π d 2

Dónde:

PAG D Densidad de poder

PAG es la potencia del transmisor

GRAMO Ganancia, para nuevos horizontes es 16000 , así que usaremos eso.

d es la distancia desde el transmisor

Entonces, ahora podemos adivinar el rango máximo que podría recibir una señal para una potencia de salida dada resolviendo lo siguiente para d con ganancia New Horizons y un generoso transmisor de 100w:

1 × 10 − 25 w / metro 2 = dieciséis , 000 × 100 w 4 π d 2

Nos da un rango detectable de 1.1 × 10 15 metro o 8 mil unidades astronómicas o 47 días luz.

En realidad, no soy un EE, así que si hay un error, házmelo saber. También sé que la densidad de potencia no es 1:1 para poder detectar algo, pero esto es un estadio de béisbol. *Asumiendo también sin pérdidas.

Estoy tratando de buscar las ecuaciones de las antenas direccionales para que podamos adivinar el rango máximo para una potencia determinada.
Esto es perfecto. Gracias. Probablemente no voy a incluir todos estos detalles (no lo entiendo lo suficientemente bien como para lograrlo), pero quiero que los pequeños detalles que tengo sean lo más precisos posible para que las personas que son más inteligentes que yo puedan asentir sabiamente. y creo que se de lo que hablo :)
@Brian, la etiqueta de ciencia dura requiere tanto detalle en una respuesta, me alegro de que sea una exageración.
El detalle es genial. Ya comencé a usarlo para calcular cuánta energía quiero que tenga la nave espacial para viajar al otro sistema solar y regresar, además de operar sus sensores y comunicación. De hecho, estaba tratando de descubrir cómo explicar por qué no estuvo en contacto todo este tiempo, por lo que fue genial saber que esa parte era real.
@Joe Kissling Sus cálculos de rango parecen un poco optimistas. Para facilitar el cálculo, convertiré todo en dB. Entonces, nuestra señal mínima es -250 dBW (10 * log10 (1E-25)), nuestra ganancia de antena es 42 dBi (sé que el i no está justificado, pero los documentos no dan detalles, así que asumiré it), nuestro transmisor es de 20 dBW. Entonces el EIRP=62 dBW. Esto nos da el "margen de desvanecimiento" de 312 dB para la pérdida de ruta, es decir, podemos perder 312 dB de intensidad de señal a lo largo de la ruta y la señal seguirá siendo detectable.
Si consideramos que la distancia es de 1100 Tm y la frecuencia de funcionamiento de 8,42 GHz, la pérdida de trayectoria en el espacio libre es de unos 352 dB, superior a los 312 dB que tenemos. No pude encontrar rápidamente documentación sobre el DSN que usa lenguaje de ingeniería real, por lo que podría ser que haya alguna ganancia adicional que no se tenga en cuenta en alguna parte. Por ejemplo, no está claro si los niveles de potencia mencionados se tienen en cuenta o no con la codificación de corrección de errores, con o sin los preamplificadores, etc.
@AndrejaKo gracias por la información agregada. Sé que mis matemáticas son extremadamente optimistas e ignoré la pérdida de la trayectoria del espacio libre. Faltaba mucha documentación técnica sobre el DSN, pero uno de mis enlaces hace referencia al sistema que tiene un sistema muy sofisticado de corrección, filtrado, amplificación y procesamiento de errores. Puede seleccionar información en el ruido. Aunque no sé si eso puede compensar la corta caída.
@Joe Kissling Tendré que comprobarlo entonces, cuando tenga más tiempo. Sé que, en la radioafición, por ejemplo, hay formatos de modulación que tienen alrededor de 30 dB de la llamada ganancia de procesamiento. Es decir, el sistema envía datos adicionales para la codificación de corrección de errores, lo que equivale a un aumento de alrededor de 30 dB en la potencia del transmisor. Por lo tanto, definitivamente es posible salvar la distancia utilizando códigos de corrección de errores adicionales. Los métodos utilizados en la radioafición son un poco de fuerza bruta, y solo permiten mensajes de texto cortos, pero estoy seguro de que una agencia espacial competente puede hacer buenos códigos de corrección de errores.
Los códigos de corrección de errores de @AndrejaKo solo dan rendimientos decrecientes. ¡Por supuesto que ya están en uso! Pero no escalan tan bien. Por ejemplo, al gastar dos bits adicionales por byte (eso es una paridad de 8-2), puede corregir un error de bit en los 10 bits actuales. Pero tienes que transmitir 10, en lugar de 8 bytes y eso aumenta las probabilidades de obtener más errores de bit.

Citando a la NASA en las misiones Voyager

Los datos científicos se devuelven a la tierra en tiempo real a 160 bps. La captura de datos en tiempo real utiliza recursos de la red de espacio profundo (DSN) de 34 metros con el objetivo del proyecto de adquirir al menos 16 horas por día de datos en tiempo real por nave espacial. Este objetivo no siempre se logra debido a la competencia por los recursos de DSN con proyectos de misión principal y otros proyectos de misión extendida.

Una vez a la semana por nave espacial, se graban 48 segundos de datos PWS de alta velocidad (115,2 kbps) en la grabadora de cinta digital (DTR) para su posterior reproducción. Cada semana se registran 48 segundos adicionales en la Voyager 1. Estos datos se reproducen en la Tierra una vez cada 6 meses por nave espacial y requieren soporte DSN de 70 metros para la captura de datos.

Mientras que aquí usted puede encontrar estos datos:

los valores estándar para discos Blu-ray son:

Vídeo MPEG-4 AVC a 18000 kbps para 1080p

Vídeo MPEG-4 AVC a 8000 kbps para 720p

Audio maestro DTS-HD

La tasa de bits del códec de audio es variable, pero debe permanecer por debajo de los 4 Mbps. Eso es un total de 22 Mbps para 1080p y 12 Mbps para 720p. La compresión con pérdida puede resultar en tasas de bits mucho más bajas.

En comparación, algunas velocidades de transferencia:

USB 1.1 (full bandwidth): 12 Mbps
USB 2.0: 480 Mbps
PATA: up to 1064 Mbps
SATA I: 1500 Mbps
Ethernet: 10 Mbps
Fast Ethernet: 100 Mbps
Gigabit Ethernet2: 1000 Mbps

Entonces, el video HD está fuera de las posibilidades.

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