¿Cómo se evitó el deterioro de la cinta magnética en la Voyager 1?

Las sondas Voyager utilizan grabadoras de cinta digital (DTR) de 8 pistas para registrar datos científicos y de telemetría, y ambas tienen capacidades de corrección de errores, y la Voyager 2 tiene algoritmos más fuertes y resistentes a los errores. Citando a Wikipedia sobre la detección y corrección de errores en las telecomunicaciones del espacio profundo :

El desarrollo de códigos de corrección de errores estuvo estrechamente relacionado con la historia de las misiones en el espacio profundo debido a la dilución extrema de la potencia de la señal en las distancias interplanetarias y la disponibilidad limitada de energía a bordo de las sondas espaciales. Mientras que las primeras misiones enviaban sus datos sin codificar, a partir de 1968 se implementó la corrección digital de errores en forma de códigos convolucionales (descodificados de manera subóptima) y códigos Reed-Muller . El código Reed-Muller se adaptaba bien al ruido al que estaba sujeta la nave espacial (que coincidía aproximadamente con una curva de campana ) y se implementó en la nave espacial Mariner para misiones entre 1969 y 1977.

El artículo mencionado continúa explicando que el código de corrección de errores concatenado se usa combinando el código convolucional y el código binario Golay proporcionando redundancia de datos codificados que son decodificados por un decodificador Viterbi . También explica que, en teoría, la Voyager 2 es más resistente a los errores con el uso de un código Reed-Solomon concatenado adicional (Reed-Solomon-Viterbi) para una corrección de errores muy poderosa.

El CCSDS [Comité Consultivo para Sistemas de Datos Espaciales] actualmente recomienda el uso de códigos de corrección de errores con un rendimiento similar al código RSV de la Voyager 2 como mínimo. Los códigos concatenados están cayendo cada vez más en desgracia con las misiones espaciales y son reemplazados por códigos más potentes, como los códigos Turbo o los códigos LDPC [comprobación de paridad de baja densidad].

Sin embargo, esto es posiblemente un poco abrumador para cualquiera que no esté familiarizado con el funcionamiento de los algoritmos de paridad de datos, corrección de errores concatenados o verificación de redundancia cíclica. Pero podemos concluir que usando redundancia de datos y algoritmos de codificación, los datos pueden ser decodificados y hasta cierto punto reconstruidos sin errores con el uso de estas medidas, y cualquier error persistente sería detectable. Sin embargo, esta no es toda la historia. Nuevamente citando a Wikipedia, pero esta vez en Telemetry of the Voyager Program :

La telemetría llega a la Unidad de Modulación de Telemetría (TMU) por separado como un canal de "tasa baja" de 40 bits por segundo (bit/s) y un canal de "tasa alta".

La telemetría de baja velocidad se enruta a través de la TMU de modo que solo se puede descargar como bits no codificados (en otras palabras, no hay corrección de errores). A alta velocidad, uno de un conjunto de velocidades entre 10 bit/s y 115,2 kbit/s se transmite en forma de símbolos codificados.

La TMU codifica el flujo de datos de alta velocidad con un código convolucional que tiene una longitud de restricción de 7 con una velocidad de símbolos igual al doble de la velocidad de bits (k=7, r=1/2).

Por lo tanto, si bien no existe ninguna corrección de errores del TMO al DTR (sin embargo, existe en el propio DTR, como mencionamos anteriormente), esta cita sugiere que hay dos flujos de velocidad de bits diferentes grabados en el mismo 8- pista DTR. Dado que no hay forma de que ninguna pista se mueva a una velocidad diferente a la del resto (siendo una parte física de la misma cinta), esto significa que los Voyagers en realidad usan dos pistas simultáneamente y se graban a una densidad de datos diferente por pista y los datos de telemetría se la grabación a baja tasa de bits (y por lo tanto una menor densidad de datos en la propia cinta), esto debería traducirse en una mayor relación señal/ruido de la grabación en cinta y ser menos propenso a errores de datos que tendrían que ser corregidos por los algoritmos mencionados anteriormente, o en caso de no hacerlo, no entregará ningún dato de telemetría.

Wikipedia citó tasas de bits para telemetría y datos científicos de 1400 y 7200 bit/s, respectivamente. No pude encontrar ninguna cotización sobre la cinta real utilizada y su densidad de datos declarada, y la velocidad de datos por segundo realmente no nos dice nada de sus límites (simplemente podría girar más rápido sobre la lectura/grabación de cabezales de cinta magnética , por lo que sabemos), pero sospecho que tener una velocidad de grabación mucho más lenta que la nominal tendría algo que ver con las medidas tomadas para evitar la pérdida de datos y aumentar un poco la relación señal/ruido en la propia cinta de grabación. Además, por supuesto, de usar algoritmos de verificación y corrección de errores con las grabaciones digitales de la Voyager.

La grabadora que se muestra en el artículo anterior (por @user6972) y la que se muestra en este artículo son representantes tanto del Viking Mars Lander DTR como de su hermano parecido, el Voyager DTR . Sin embargo, tenga en cuenta que la "brida" del carrete de recogida del DTR del artículo anterior es notablemente diferente a la que se muestra en la foto del DTR que presento aquí. Siga leyendo para averiguar por qué.

La verdad es que trabajé en JPL mientras asistía y después de recibir mi licenciatura y maestría en Caltech. Diseñé ambas bridas, una para Viking y otra para Voyager . Ambos artículos fueron diseñados para absorber las resonancias creadas por la correa clara/transparente envuelta alrededor de la cinta, generadas por el movimiento de la propia unidad de cinta.

Las bridas esencialmente hacen lo mismo, hasta cierto punto. La brida de Viking muestra la estructura básica, mire con atención. La brida en sí es libre de girar sobre un cojinete montado en el centro del carrete de cinta y podría girar libremente por sí misma. Pero aquí está el truco: tenga en cuenta que hay dos pequeñas piezas de goma blanca unidas a la pestaña que también están unidas al centro de rotación del carrete. Esta conexión absorbe vibraciones minúsculas en el movimiento de la cinta, lo que permite que el servocontrol del motor del DTR mantenga una velocidad de cinta continua esencialmente libre de vibraciones. Este diseño de brida de Viking DTR satisfizo con creces el objetivo del proyecto.

La brida de la Voyager básicamente funciona con el mismo principio, pero sabía que tenía que estar diseñada para durar mucho tiempo. La vida de Viking fue corta en comparación. ¿Viajero? Planeé una vida infinita. Sí, tienes razón: la "brida" de la Voyager parece una pieza sólida de metal unida a la parte superior del carrete de cinta. Bueno, en realidad, no exactamente. Es una "carcasa" hecha de titanio, dentro de la cual se monta una brida a través de un rodamiento en el centro del conjunto de la brida. Sin embargo, después de sellarlo con soldadura por haz de electrones, se rellenó con un líquido/aceite amortiguador para reemplazar el caucho amortiguador de vibraciones en Viking. Luego, el sello se completa completamente utilizando más soldadura por haz de electrones. ¡Y buenas noticias! ¡Sobrevivirá mucho tiempo! Una eternidad.

Siempre pensé que estos hechos aparecerían en algún lugar de Internet, pero después de mi larga búsqueda, después de muchos años, decidí aclararlo al mundo, especialmente antes de morir. Mejor ahora que nunca, LOL. Espero que todos hayan aprendido algo nuevo sobre Voyager y Viking, algo que solo sabía un pequeño grupo de ingenieros de la NASA, Texas Instruments y Lockheed. ¡Seguir explorando!

De un comentario de @user6972:

Mis padres tuvieron la suerte de obtener 2 años de sus 8 pistas, mucho menos 30 años o más... la corrección de errores no arreglaría el nudo que arrojarían.

La cinta de audio de cartucho de 1/4" de 8 pistas a la que se refiere era notoria por estar mal diseñada. Muchos formatos de cinta modernos utilizan el mismo principio general: un solo carrete que contiene un bucle sin fin de cinta. DLT , por ejemplo. Ninguno de ellos son tan poco fiables como 1/4" de 8 pistas.

La Voyager DTR usaba cinta de 1/2" en un formato más parecido a una grabadora de cinta de carrete abierto que a un cartucho de 8 pistas. Así que esto evita por completo el diseño de carrete único y muchos de sus posibles problemas. Así es como se ve la DTR :

Según este Voyager Backgrounder, octubre de 1980 (PDF) ¹ :

en cada encuentro, el subsistema de datos de vuelo puede manejar los datos de imágenes a seis velocidades de enlace descendente de 115,2 a 19,2 kbps. La velocidad de 115,2 kbps representa la lectura de cuadro completo estándar (a 48 segundos por cuadro) del video de TV. En condiciones normales, esa tasa se utilizó en Júpiter. Se puede obtener TV de resolución completa y fotograma completo de Saturn aumentando el tiempo de lectura de fotogramas a 144 segundos (barrido lento 3:1) y transmitiendo los datos a 44,8 kbps. Hay disponibles otras opciones de exploración lenta y edición de tramas para adaptarse a la capacidad del enlace de telecomunicaciones.
El subsistema de almacenamiento de datos puede grabar a dos velocidades: imágenes de televisión, ciencia general e ingeniería a 115,2 kbps; ciencias generales e ingeniería a 7,2 kbps; e ingeniería solo a 7,2 kbps (la ingeniería se adquiere a solo 1200 bps, pero se formatea con relleno para que coincida con la velocidad de entrada de la grabadora). El transporte de la cinta es accionado por correa. Su cinta magnética de 1/2 pulgada tiene 328 m (1076 pies) de largo y está dividida en ocho pistas que se graban secuencialmente una pista a la vez. La capacidad total de almacenamiento reciclable es de unos 536 millones de bits, el equivalente a 100 imágenes de televisión. La reproducción es a cuatro velocidades: 57,6; 33,6; 21,6 y 7,2 kbps.

Por lo tanto, solo se graba una pista a la vez.

¹ NASA-NOTICIAS-RELEASE-80-160, P80-10172

Uno de los problemas con la comprensión del público de cómo funciona exactamente la unidad de cinta parece ser un "misterio" porque surgió algo inesperado que presentó un problema importante: no se pudo mantener la sincronización de la señal de tiempo de la cinta. ¡Incluso amenazó la secuencia de lanzamiento!

El gran beneficio de manejar la cinta magnética tiene beneficios maravillosos (bueno, en su día): la cinta apenas se maneja en transportes especializados como este, pero la mayoría de las personas realmente no entendían lo poco que se toca la cinta, incluso si tienen observó. No muchos lo hicieron. Una vez que la correa de "impulsión" transparente ya no toca la parte posterior de la cinta magnética (mire la foto para ver dónde se separan), se mueve libremente hacia el cabezal de lectura/escritura de la cinta, con solo la distancia precisa necesaria para la cinta. mientras se desliza libremente a través de la ranura muy estrecha en el cabezal de la cinta. Bueno, eso es sólo la introducción al verdadero problema. Vuelva a las discusiones anteriores sobre las bridas de la cinta. Ahí se resolvió el problema.

Para recordarle, las bridas de la cinta no están inactivas. La vibración en la correa de transporte transparente y en la propia cinta era un problema real que debía eliminarse. Revise la información anterior. En Viking , se suspendió una brida con goma para absorber la vibración; en la Voyager , se selló una brida dentro de una carcasa permanentemente sellada llena de aceite amortiguador, para siempre.

¿Cómo resolví este problema? Bueno, en ese entonces, a principios de los años 70, recientemente compré uno de los primeros BMW vendidos por un nuevo distribuidor no muy lejos de Caltech. Era un cambio manual y un artículo explicaba cómo funcionaban los embragues manuales para transferir suavemente el par a través del eje de transmisión. No lo olvidé y lo usé para mostrarle a NASA/JPL parte de la respuesta. Unos años más tarde, durante unas vacaciones en Europa, visité la fábrica de BMW en Munich y le dije a un ingeniero que BMW ayudó a salvar a Viking y Voyager .