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外太空直播所面临的网络问题

( 2020-10-15 ) 来源:中国科学技术大学wangpu

数据传输确实是航天任务中永恒的头痛,从几十年前到现在,大家一直在用无线电进行通讯。

阿波罗任务中使用三路Unified S-Band(USB)并行回传声音和视频信息来完成这次具有时代意义的直播。

但是效果并不尽人意。

这是阿波罗11任务中使用的TV相机:

这是直播效果:

这是一个类似角度的单张照片:

  这里拍照效果好但是直播画质惨不忍睹的根本原因就是数据传输.

关于“如何进行流畅星际直播”可以展开讲讲。


流畅星际直播


我们都知道,数据传输有两个重要的指标:带宽和延迟。

其中带宽决定了画质,如果带宽很低,可能会出现画面停顿,只有声音,甚至声音也不连续的情况。

延迟决定了互动性,如果带宽很好但是延迟很大的话有可能能看到流畅的画面和细腻的声音但是看到的是一段时间之前的,比如主播大喊老铁刷个火箭,然而十分钟过去了没有收到火箭,有可能因为ping 是 10min。

1. 带宽

NASA使用Deep Space Network(DSN)来进行通讯和数据传输。

详情中会显示当前的数据传输速率,此时是2kbps

在科学数据下载的时候见过超过1Mbps的,嫦娥二号可以达到6Mbps的接收带宽。

然而,直播需要的是大的上传带宽,通常下行带宽是上行带宽的1/10到1/100,所以当前可以用于直播的带宽数量级也就是100kB/s,大概率全球射电台网的接收带宽只能实现一个人的240p分辨率且无法保证流畅度的月球直播。

对于高要求的主播,可以试试“拉光纤”

NASA在2013-2014年的LADEE任务中测试了LLCD激光通信系统,可以实现,622Mbps下行带宽,20Mbps上行带宽。


这个带宽就相当于4G信号了,对于大部分主播来说已经足够了。

但是激光的坏处是接受位点受天气影响大,遇到雾霾天激光穿透力约等于0。此时带宽归零

2. 延迟

和日常使用的网路的延迟不同,深空通讯的延迟基本上可以等同于距离光程延迟。不过有些时候无法几何光直达的时候需要信号中转。

比如在嫦娥四号月球背面着陆任务中,需要中继站“鹊桥”在地月L2点来中转。

中转会增加一些延迟,但是延迟不会有数量级上的增加。

月球比较近,秒级别的延迟,勉强可以双击666小互动一下,但是再远比如到火星就是几十分钟了,根本没办法互动了,直播约等于看录屏。

后话

应对这些直播数据传输的需求,现在已经有提出构想是建立空间互联网。

核心想法是,在行星际使用激光互联节点组成高速中继交换机实现节点之间的高带宽的互联。

这样一些遥远位置的探测器回传数据的时候可以经过几次中间节点的中继来实现高带宽的数据回传,就不需要在超远的距离上通过微弱的射电信号来传输数据了。


参考文献及图片来源:

[1]https://www.rfcafe.com/references/electronics-world/communications-moon-electronics-world-august-1969.htm

[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Apollo_TV_camera

[3]https://www.guinnessworldrecords.com/news/2019/7/remembering-apollo-11-on-the-moon-landing-50th-anniversary-582543

[4]https://eyes.nasa.gov/dsn/dsn.html

[5]https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/chang-e-2

[6]https://www.nasa.gov/directorates/heo/scan/opticalcommunications/llcd/

[7]https://directory.eoportal.org/web/eoportal/satellite-missions/c-missions/chang-e-4

[8]https://astronomy.com/news/2018/07/interplanetary-internet

(责任编辑:杨玉露

(版权说明,转载自:石头科普公众号)


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