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為什麽神舟十二號載人航天飛船艙內網路攝影機這麽模糊?

2021-07-13知識

這個回答裏所有的答案都沒回答到點子上,照一些答主的回答,只要凍結的設計就不能改了,這是完全的謬論,航天的叠代改進非常多,而且有些改動一點不小,(長2FY12甚至改了發動機點火器)不論是神舟飛船還是長征2F火箭每一批都有很多適應力升級和可靠性改進。還有的說是環境苛刻,那請解釋一下在軌時間更長且環境考驗同樣惡劣的核心艙艙內外那麽多網路攝影機為啥如此清晰?還有的說要以實用為主,沒必要搞高畫質,那請問為啥一個不載人的,最終要拋棄燒毀的貨船都用了高畫質網路攝影機?[DOGE]

天和上即時下傳的高畫質畫面,著實讓人大飽眼福
天和和神舟明顯的解析度差異

真正模糊的原因其實非常簡單,就是因為與天舟和天和相比,神舟飛船的下傳頻寬不足,這和其采用的星間鏈路頻段有關。 神舟飛船的模糊一看就是采用了超高壓縮的畫質損失,而非網路攝影機原生畫面低分辨率,搞影像處理的童鞋應該一眼就能看出來,很快就能意識到這是頻寬的問題而非網路攝影機原生分辨率問題。

3顆在軌天鏈中繼衛星加上地面站完成全球無縫覆蓋測控

為了解決地面站和遠望測量船對近地軌域飛行器遙測範圍過小的問題,我們和美國一樣,發射了執行在地球同步軌域的中繼衛星天鏈系列衛星,這些衛星負責轉發從低軌飛行器發射的訊號到地面站,這樣區區三顆衛星,就基本能做到空間站軌域全球覆蓋。具體可以參考我的這個回答,裏面詳細介紹了天鏈的工作原理,順便也從側面回答了一個映像問題,即:「 為什麽天舟和核心艙的網路攝影機那麽清晰?

如果你讀了這篇回答,你就會知道,天鏈的原理類似於一個轉發器,可以轉發資訊到地面,這就使得其有需要兩套通訊裝置,一套負責和天上的衛星、航天器、空間站以及飛船通訊,另外一套負責和地面站之間通訊,前者我們稱其為「星間鏈路」,後者我們稱為「星地鏈路」。

倆玉米棒子

上上圖是中國第二代中繼衛星天鏈二號,下圖為天鏈一號,那個大的鍋,就是雙饋源拋物面天線,S/Ka波段,這個高增益天線是負責和近地軌域上的衛星/飛船/空間站通訊的。而那個大鍋下面的小鍋則是Ka波段天地通訊天線,負責和地面站通訊。(為啥對地用小鍋?因為地面天線大呀,都是幾十米口徑的大家夥)

波段圖

Ka波段要比S波段頻率高很多,已經一只腳跨入了公釐波的範圍,頻寬自然也大得多。而根據夏農公式,最大資訊速率與通道頻寬成正比,所以在訊雜比相同的情況下,Ka波段的通訊速率遠高於S波段。天鏈一號星地鏈路均采用Ka波段,而星間鏈路則既可以是S波段,也可以是Ka波段,使用哪一個波段就取決於近地軌域的航天器了。在工程上,Ka波段的傳輸速率超過S波段最高兩個數量級!

所以講到這裏,答案應該很明顯了,神舟飛船為什麽視訊模糊?原因是傳輸頻寬限制,那為什麽傳輸頻寬受到了限制?因為其沒有采用天舟和天和所使用的Ka波段星間鏈路,而選擇了S波段。再接下去就是回答,為什麽神舟不用頻寬高的Ka波段呢?因為天線的問題。

為了保證高傳輸速率,星間鏈路的雙方都需要使用增益極高的通訊天線,一般是高等效全向放射線功率(EIRP)的拋物面天線。天線增益與天線尺寸成正比,與工作波長成反比,在相同天線尺寸下,Ka波段的增益要大於S波段。

仔細觀察天舟天和神舟三艙組合體,你會發現天舟和天和頂部都有一個明顯較大的拋物面天線,這就是負責向天鏈發射Ka波段訊號的高增益拋物面天線。而神舟可能受制於長征2F的整流罩包絡或者其他原因,沒有那麽大空間給裝一個這麽大的天線,所以選擇了一個物理口徑小得多的S波段天線。這就限制了訊號下傳速率,也最終導致視訊模糊。理論上神舟也可以選擇Ka波段天線,可能是設計時間早,換這個涉及到的改動過大,於是沿用了早期的設計。

仔細觀察

另外一個原因是Ka波段因為頻率高,波束本就十分狹窄,低軌航天器和中繼衛星相距幾萬千米,這使得雙方天線的指向精度,要求十分嚴苛。當然這裏要補充說明一下,雙方精度的要求程度是不對等的,中繼衛星天線的精度要求更高,這也是中繼衛星研制的重難點之一。美國的中繼衛星Ka波段指向精度指標在0.06度以內,而且在太空這種惡劣環境中需要保持長時間、不定方向的復雜運動,技術要求是相當高的。所以不是簡簡單單在低軌航天器頂上放個天線就完事的,還需要有一個極其耐操且精度奇高的雲台架著。時刻要記住,航天器始終處於在高速運動中。

美國第一代中繼衛星TDRS,架構是一樣的,兩側的可展開天線是星間,中間的天線是星地

那我就是想看高畫質直播!怎麽解決?

這不是實踐-20測試過了10Gbps雷射星間通訊了麽?那玩意頻寬高到爆炸(你想想從公釐波到不足1微米的波),宇宙也幾乎不存在大氣幹擾和遮擋,用這玩意才是未來!到時候弄個16路原生8K直播估計都沒問題!當然,雷射也是電磁波,所以我前面提到的困難它也存在且更加有挑戰性,即波束寬度,指向性的問題。

波束過於狹窄,那就只能瞄準一點咯