¿Cuál es exactamente la interacción que bloqueó el enlace descendente de datos de Juno cerca de la conjunción solar?

Según el artículo de Space.com Juno Phones Home: Jupiter Probe Reconnects with Earth After 8th Flyby , el reciente sobrevuelo cercano de Juno a Júpiter y la recopilación de datos se produjeron mientras Júpiter estaba demasiado cerca del Sol visto desde la Tierra para que los datos fueran recibidos de forma fiable por el Red del espacio profundo.

Aquí hay un GIF hecho de algunas imágenes de SOHO LASCO C3 ; puede ver a Júpiter desaparecer detrás del disco de ocultación central que protege cada generador de imágenes SOHO del Sol. (Por cierto, ese es el cometa 96P a la derecha; vea la función Goddard de la NASA Return of the Comet: 96P Spotted by ESA, NASA Satellites ).

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Las conjunciones solares de Júpiter, cuando las órbitas de la Tierra y Júpiter toman los planetas en lados opuestos del sol, significan que una nave espacial que orbita alrededor de Júpiter no puede transmitir a la Tierra sin que las partículas cargadas que emite el sol corrompan la señal de la sonda . La última conjunción solar de Júpiter fue en agosto de 2015, antes de que Juno llegara a Júpiter, y la próxima será en noviembre de 2018, según in-the-sky.org .

Por supuesto que el artículo está mal, y la conjunción anterior habría sido en 2016.

He trazado los ángulos a continuación; parece que alrededor de 1,5 grados está demasiado cerca, pero 4 grados está bien. Esos corresponden a un acercamiento más cercano de la línea de visión a la superficie del Sol de 3 vs 10 millones de kilómetros.

Pregunta: ¿Es este un simple efecto de densidad de plasma? Cuando la línea de visión pasa demasiado cerca del Sol, ¿la frecuencia de corte cae por debajo de la utilizada por la nave espacial para el enlace descendente? ¿La densidad del viento solar a esta distancia es cuantitativamente lo suficientemente alta como para volverse opaco a esta frecuencia? ¿O el problema es más complicado y quizás también implica demasiada dispersión? O tal vez un problema geométrico; es demasiado difícil apuntar tan cerca del Sol sin dañar el equipo, o incluso un problema de interferencia de radio; ¿Hay demasiado ruido de radio procedente del Sol y la débil señal de la nave espacial no se puede separar lo suficientemente bien como para permitir un enlace descendente de gran ancho de banda?

nota: estoy buscando algún nivel de explicación, y no solo una respuesta que diga "Debido a la interferencia del Sol". ¡Gracias!


Gráfico de posiciones calculadas y separación utilizando el paquete de python Skyfield . No estoy seguro de la hora exacta del comienzo del enlace descendente exitoso, por lo que acabo de agregar siete días al tiempo de sobrevuelo (estimado a partir de Horizons de JPL ).

Los pequeños puntos están espaciados en intervalos de 1 día, el punto rojo de tamaño mediano a la izquierda es el momento del sobrevuelo, el punto verde de gran tamaño cerca de la derecha es aproximadamente el momento del enlace descendente exitoso.

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import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from skyfield.api import Loader  # http://rhodesmill.org/skyfield/

degs = 180./np.pi

load = Loader('~/Documents/SkyData')
data = load('de421.bsp')
ts   = load.timescale()
sun, earth, jupiter = data['sun'], data['earth'], data['jupiter barycenter']

ddays = np.arange(0, 10, 0.1)  # ten days by 0.1 day steps

times = ts.utc(2017, 10, 24+ddays, 17, 44) # with respect to 17:44 UTC, October 24th, 2017

observations = [earth.at(times).observe(thing) for thing in sun, jupiter]
separation   = degs*observations[1].separation_from(observations[0]).radians

if True:
    fig = plt.figure()

    ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)

    for obs in observations:
        RAdegs, Decdegs = [degs*thing.radians for thing in obs.radec()[:2]]
        ax1.plot(RAdegs, Decdegs)
        ax1.plot(RAdegs[::10],  Decdegs[::10],  '.k'                 )
        ax1.plot(RAdegs[:1],    Decdegs[:1],    'or', markersize =  8)
        ax1.plot(RAdegs[70:71], Decdegs[70:71], 'og', markersize = 12)

    ax1.set_xlim(208, 220)
    ax1.set_ylim(-16, -10)
    ax1.set_aspect(1.0) # https://stackoverflow.com/a/18576329/3904031
    ax1.set_xlabel('RA (degs)')
    ax1.set_ylabel('Dec (degs)')
    ax1.set_title('Sun and Jupiter observed from Earth geocenter, start 2017-10-24, 17:44 UTC')
    ax1.text(212, -11, 'Sun')
    ax1.text(212, -14, 'Jupiter')

    ax2  = fig.add_subplot(2, 1, 2)

    ax2.plot(ddays, separation)
    ax2.plot(ddays[:1],    separation[:1],    'or', markersize =  8)
    ax2.plot(ddays[70:71], separation[70:71], 'og', markersize = 12)
    ax2.set_xlim(-0.5, None)
    ax2.set_ylim(0, None)
    ax2.set_xlabel('days since flyby')
    ax2.set_ylabel('Jupiter/Sun separation (degs)')

    plt.show()
Tal vez alguien pueda encontrar una referencia, pero siempre pensé que era porque: 1) el Sol es ruidoso en la frecuencia que se usa en las comunicaciones, por lo que no puedes escuchar la señal por encima del ruido, 2) no es bueno apuntar un "reflector" parabólico al Sol, de lo contrario quemará el receptor situado en el foco.
@JohnHoltz Creo (aunque no lo he verificado) que la superficie de los platos no es "brillante" o especular a la luz solar visible o IR, por lo que no concentrará ni enfocará el calor en las guías de ondas, incluso cuando apunte directamente al Sol. Puede ver algunas fotos del plato de 70 metros del DSN en Goldstone en esta pregunta . La óptica de los platos es bastante buena, y por lo general pueden rechazar fuentes de radio a mucho menos de 1 grado de distancia, buscando una referencia para esto.
"Los primeros ecos de radar solar fueron detectados por un grupo de investigación de la Universidad de Stanford en 1959". ver _ Si las señales de radar se reflejan, las señales de transmisión de datos pueden bloquearse si el Sol se encuentra entre el transmisor y el receptor.
@Uwe, pero el problema discutido aquí es cuando la línea de visión pasa cerca del Sol (de orden de 1 a 4 grados) pero no necesariamente a través del Sol . ¡Por supuesto que entiendo que las señales no pueden pasar directamente por el sol!
@uhoh: si el Sol no está en la línea de visión directa, pero aún dentro de una zona de Fresnel , la transmisión de datos aún puede verse afectada. ¿Qué hay de calcular las zonas de Fresnel para la ruta de transmisión entre Juno y la Tierra y compararlas con la ubicación del Sol?
Algunos enlaces sobre la emisión electromagnética del Sol en el rango de GHz: 1 , 2 , 3 , 4 ,
Algunos enlaces más: 5 , 6 , 7 , 8 Cosas muy científicas con muchas matemáticas y física.
@Uwe todavía me pregunto si el problema es 1. la interferencia recibida por DSN debido a la pequeña separación angular (que sería abordada por sus enlaces), o 2. si la señal que pasa físicamente a través del plasma cerca del sol es interrumpida por el plasma, o 3. si los telescopios DSN simplemente no pueden apuntar tan cerca del Sol sin daño térmico.
@Uwe He agregado una recompensa... Ha mencionado muchos enlaces útiles, pero esta pregunta es sobre la capacidad de Deep Space Network, por lo que necesita más que una respuesta hipotética general. ¿Ha encontrado algo sobre la capacidad de DSN específicamente?
Puede que le interese el Manual de diseño de enlaces DSN , módulo 105.
@TonioElGringo gracias! Puedo ver algunos gráficos útiles cerca de la página 200 del PDF, en la sección 105 Efectos atmosféricos y ambientales
@TonioElGringo He agregado una recompensa; considerar publicar una respuesta?
Recientemente tuvimos que transferir la nave espacial Wind de un Lissajous a una órbita de halo alrededor de L1 porque la componente z de la primera habría causado que Wind cayera en la zona de exclusión solar o SEZ (es decir, la región alrededor del Sol con respecto a su pregunta). Es un problema de relación señal-ruido. El Sol es radio fuerte, por lo que la señal muy débil recibida de naves espaciales lejanas no puede competir. En general, para el viento, la SEZ está entre ~1,5 y 1,8 grados, según la estación y la estación terrestre que se utilice. Me imagino que Juno es similar o más grande.
@honeste_vivere, ¡es tan agradable ver tus excelentes respuestas y comentarios informativos como siempre! Esto me recuerda que también mencionaste Wind aquí: ¿ Por qué DSCOVR está en una órbita de Lissajous? ¿Una órbita de halo no evitaría por completo la zona de exclusión del Sol? De la lectura de DESCANSO y la respuesta aquí, los problemas de señal para las naves espaciales que van detrás del Sol comienzan con la distorsión (cambios de trayectoria/fase y desvanecimiento de amplitud) debido a la densidad de electrones no homogénea del viento solar primero, incluso cuando los platos aún pueden separar espacialmente el señales del sol
@uhoh - Eso es interesante, no había pensado en eso. Aunque los cambios de fase debidos a los gradientes de densidad a lo largo de una sola línea de visión deberían ser simétricos si se mira a través de una atmósfera esféricamente simétrica, ¿verdad? Supongo que cerca del sol, incluso las fluctuaciones de densidad de ~1% son comparativamente grandes en comparación con el resto de la ruta de tránsito de la señal... Hmm...
Los oyentes de radio AM de onda corta de @honeste_vivere están familiarizados con lo funky que pueden sonar las señales cuando se reflejan en distribuciones de densidad de electrones no homogéneas. Además del desvanecimiento general cuando las señales de caminos múltiples interfieren destructivamente, cada frecuencia diferente en las bandas laterales experimenta cambios de fase y desvanecimiento de manera diferente. Algunos ejemplos: 1 , 2 , 3 aunque el último también tiene algunos efectos de interferencia.
@honeste_vivere La transmisión a través de falta de homogeneidad en el viento solar espacialmente mucho más grande, aunque con una densidad de electrones mucho más baja , también tendrá efectos de trayectos múltiples . Para la escucha de ondas cortas de radio AM (por ejemplo, especialmente el segundo enlace de YouTube en su hora actual), la interferencia multitrayecto dependiente de la frecuencia suena un poco como flanging .
más efectos mulipath aquí: youtu.be/PKUsl7PZNr4?t=66

Respuestas (1)

Este artículo afirma que son las partículas cargadas emitidas por el sol las que bloquean la comunicación con Juno. https://www.space.com/38668-juno-8th-jupiter-science-flyby-success.html Este artículo sobre la conjunción de Marte cita la misma física y señala de manera más sucinta que es el enlace ascendente del comando lo que a los operadores les preocupa corromper. . https://www.jpl.nasa.gov/news/news.php?feature=7485

Hablando con la gente de operaciones de carga útil en Malin Space Science Systems donde trabajo, puedo decirles que muchas de las misiones que apoyan, incluidas Juno y los rovers de Marte, intentarán descargar datos en momentos distintos a la mitad de la conjunción, y eso dará como resultado diversos grados de corrupción de datos que requerirán la retransmisión de paquetes una vez que se restablezca el comando. Por lo tanto, diría que el problema real es que la tasa de pérdida de paquetes del enlace ascendente se vuelve demasiado alta y es demasiado problemático retransmitir tantos comandos del enlace ascendente una vez que el ruido de fondo de RF es demasiado alto para el receptor de la nave espacial.

Excelente, ¡gracias por encontrar esta pregunta perdida hace mucho tiempo y publicar una respuesta autorizada y bien documentada!