问题

为什么神舟十二号载人航天飞船舱内摄像头这么模糊?

回答
关于神舟十二号载人航天飞船舱内摄像头模糊的问题,确实引起了不少关注。咱们来聊聊这其中的可能原因,尽量把话说得明白透彻。

首先,咱们得明确一点,航天器上的设备,特别是载人航天器,其设计和制造都经过极其严格的标准和测试。舱内摄像头之所以存在,是为了让地面指挥中心能够实时了解航天员的工作状态、舱内环境以及飞船内部的运行情况。所以,它的重要性不言而喻。

那么,为什么我们看到的画面有时候会显得有些模糊呢?这背后可能涉及到好几个层面的因素:

1. 拍摄环境的特殊性:

光照条件: 飞船内部不像我们日常生活的环境那样,拥有充足且稳定的自然光。舱内照明系统是为了满足航天员的正常工作和生活需求而设计的,它可能不会像电影灯光那样追求完美的视觉效果。而且,在一些特定操作或实验环节,照明可能会根据需求进行调整,这都会影响摄像头的成像质量。
空间限制和角度: 飞船内部空间是宝贵的,摄像头并非像我们手机一样可以随意调整角度去捕捉最佳画面。它们通常是被固定在特定位置,以提供最有效的信息。这意味着摄像头拍摄的角度可能不是最理想的,会受到舱内结构、设备遮挡等影响,导致画面不够开阔或清晰。
运动因素: 航天员在失重环境下活动,身体和操作对象都会有一定程度的移动。即使摄像头本身是稳定的,但拍摄对象(比如航天员的脸、操作的手)在快速移动时,如果不具备极强的追焦能力,画面就容易出现模糊。

2. 摄像头本身的局限性:

并非消费级高清: 虽然航天设备技术先进,但舱内摄像头的设计目标是信息传递和监控,而非追求电影级的画质。它可能不像我们现在用的智能手机摄像头那样,配备了非常高端的传感器、大光圈镜头或者先进的防抖系统。它的优先级是稳定、可靠、功耗低以及满足传输带宽要求。
分辨率和帧率的权衡: 为了保证数据传输的稳定性和效率,特别是在有限的带宽下,视频的清晰度(分辨率)和流畅度(帧率)往往需要做一个权衡。如果为了追求更高的清晰度,可能就需要更大的数据量,这在远程传输时会面临挑战。因此,可能会选择一个相对保守的参数组合,以确保信号的稳定接收。
镜头的特性: 航天设备的镜头材料、镀膜等也会经过特殊设计,以适应太空的辐射环境,但这些特性可能也会在一定程度上影响画面的锐度和色彩还原。

3. 数据传输和处理的损耗:

压缩与编码: 从飞船传回地面的视频数据,通常都需要经过压缩和编码,以减少数据量,满足传输带宽的限制。这个过程不可避免地会对原始画面造成一定的损失,即使是无损压缩,也可能在细节上有所衰减,导致看起来不够锐利。
传输带宽和延迟: 飞船与地面站之间的通信是经过复杂的链路传输的。带宽是有限的,为了保证信号的稳定性和及时性,会优先保证关键信息的传递。视频的清晰度可能需要根据当时的通信条件进行动态调整。

4. 视觉感知上的因素:

屏幕显示效果: 我们在地面上通过屏幕观看传回的视频,屏幕的尺寸、分辨率、显示技术,以及我们观看的距离和环境,都会影响我们对画面清晰度的感知。有时候,放大观看时,原本身体感知并不明显的细节模糊,就会被放大。
心理预期: 考虑到航天是如此高科技的领域,我们可能对画面质量有着更高的预期。当实际画面不如预期时,就容易产生“模糊”的观感。

综合来看,神舟十二号舱内摄像头画面的模糊,很可能不是由单一原因造成的,而是以上多种因素综合作用的结果。 它们需要在 任务需求、技术可行性、成本控制、可靠性以及太空环境的限制 之间找到一个最佳的平衡点。

与其说它“模糊”,不如说它更侧重于 “信息传递的有效性” 而非 “视觉艺术的极致追求”。它的首要任务是让地面能够看到里面的情况,了解航天员的工作状态,而不是成为一个可以媲美专业摄影设备的“网红直播间”。

所以,当我们看到那些略显模糊但依然记录着伟大时刻的画面时,不妨从更宏观的角度去理解它们背后的复杂设计和严格的工程考量。这恰恰是航天工程严谨务实精神的体现。

网友意见

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这个回答里所有的答案都没回答到点子上,照一些答主的回答,只要冻结的设计就不能改了,这是完全的谬论,航天的迭代改进非常多,而且有些改动一点不小,(长2FY12甚至改了发动机点火器)不论是神舟飞船还是长征2F火箭每一批都有很多适应性升级和可靠性改进。还有的说是环境苛刻,那请解释一下在轨时间更长且环境考验同样恶劣的核心舱舱内外那么多摄像头为啥如此清晰?还有的说要以实用为主,没必要搞高清,那请问为啥一个不载人的,最终要抛弃烧毁的货船都用了高清摄像头?[DOGE]

天和上实时下传的高清画面,着实让人大饱眼福
天和和神舟明显的清晰度差异

真正模糊的原因其实非常简单,就是因为与天舟和天和相比,神舟飞船的下传带宽不足,这和其采用的星间链路频段有关。神舟飞船的模糊一看就是采用了超高压缩的画质损失,而非摄像头原生画面低分辨率,搞图像处理的童鞋应该一眼就能看出来,很快就能意识到这是带宽的问题而非摄像头原生分辨率问题。

3颗在轨天链中继卫星加上地面站完成全球无缝覆盖测控

为了解决地面站和远望测量船对近地轨道飞行器遥测范围过小的问题,我们和美国一样,发射了运行在地球同步轨道的中继卫星天链系列卫星,这些卫星负责转发从低轨飞行器发射的信号到地面站,这样区区三颗卫星,就基本能做到空间站轨道全球覆盖。具体可以参考我的这个回答,里面详细介绍了天链的工作原理,顺便也从侧面回答了一个镜像问题,即:“为什么天舟和核心舱的摄像头那么清晰?

如果你读了这篇回答,你就会知道,天链的原理类似于一个转发器,可以转发信息到地面,这就使得其有需要两套通讯装置,一套负责和天上的卫星、航天器、空间站以及飞船通讯,另外一套负责和地面站之间通讯,前者我们称其为“星间链路”,后者我们称为“星地链路”。

俩玉米棒子

上上图是我国第二代中继卫星天链二号,下图为天链一号,那个大的锅,就是双馈源抛物面天线,S/Ka波段,这个高增益天线是负责和近地轨道上的卫星/飞船/空间站通讯的。而那个大锅下面的小锅则是Ka波段天地通讯天线,负责和地面站通讯。(为啥对地用小锅?因为地面天线大呀,都是几十米口径的大家伙)

波段图

Ka波段要比S波段频率高很多,已经一只脚跨入了毫米波的范围,带宽自然也大得多。而根据香农公式,最大信息速率与信道带宽成正比,所以在信噪比相同的情况下,Ka波段的通讯速率远高于S波段。天链一号星地链路均采用Ka波段,而星间链路则既可以是S波段,也可以是Ka波段,使用哪一个波段就取决于近地轨道的航天器了。在工程上,Ka波段的传输速率超过S波段最高两个数量级!


所以讲到这里,答案应该很明显了,神舟飞船为什么视频模糊?原因是传输带宽限制,那为什么传输带宽受到了限制?因为其没有采用天舟和天和所使用的Ka波段星间链路,而选择了S波段。再接下去就是回答,为什么神舟不用带宽高的Ka波段呢?因为天线的问题。


为了保证高传输速率,星间链路的双方都需要使用增益极高的通信天线,一般是高等效全向辐射功率(EIRP)的抛物面天线。天线增益与天线尺寸成正比,与工作波长成反比,在相同天线尺寸下,Ka波段的增益要大于S波段。

仔细观察天舟天和神舟三舱组合体,你会发现天舟和天和顶部都有一个明显较大的抛物面天线,这就是负责向天链发射Ka波段信号的高增益抛物面天线。而神舟可能受制于长征2F的整流罩包络或者其他原因,没有那么大空间给装一个这么大的天线,所以选择了一个物理口径小得多的S波段天线。这就限制了信号下传速率,也最终导致视频模糊。理论上神舟也可以选择Ka波段天线,可能是设计时间早,换这个涉及到的改动过大,于是沿用了早期的设计。

仔细观察


另外一个原因是Ka波段因为频率高,波束本就十分狭窄,低轨航天器和中继卫星相距几万千米,这使得双方天线的指向精度,要求十分严苛。当然这里要补充说明一下,双方精度的要求程度是不对等的,中继卫星天线的精度要求更高,这也是中继卫星研制的重难点之一。美国的中继卫星Ka波段指向精度指标在0.06度以内,而且在太空这种恶劣环境中需要保持长时间、不定方向的复杂运动,技术要求是相当高的。所以不是简简单单在低轨航天器顶上放个天线就完事的,还需要有一个极其耐操且精度奇高的云台架着。时刻要记住,航天器始终处于在高速运动中。

美国第一代中继卫星TDRS,架构是一样的,两侧的可展开天线是星间,中间的天线是星地


那我就是想看高清直播!怎么解决?

这不是实践-20测试过了10Gbps激光星间通讯了么?那玩意带宽高到爆炸(你想想从毫米波到不足1微米的波),宇宙也几乎不存在大气干扰和遮挡,用这玩意才是未来!到时候弄个16路原生8K直播估计都没问题!当然,激光也是电磁波,所以我前面提到的困难它也存在且更加有挑战性,即波束宽度,指向性的问题。

波束过于狭窄,那就只能瞄准一点咯

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