home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ BBS in a Box 15 / BBS in a box XV-1.iso / Files / Educ / NASA-Space / Pictures from Space.sit / Pictures from Space
Encoding:
Text File  |  1992-09-25  |  23.3 KB  |  499 lines  |  [TEXT/ttxt]

  1.  
  2.  
  3.                     HOW WE GET PICTURES FROM SPACE
  4.  
  5. Since the first cave dweller ventured out to gaze up at the night sky,
  6. people have sought to know more about the mysterious images and lights
  7. seen there. Being limited by what could be seen with the unaided eye,
  8. that early stargazer relied on intellect and imagination to depict the
  9. universe, etching images in stone by hand, measuring and charting the
  10. paths of the wanderers, and becoming as familiar with the sky as the
  11. limited technology would allow.
  12.  
  13. Although stargazers frequently took the wrong paths in attempting to
  14. explain what they saw, many of them developed new tools to overcome
  15. their limitations. Galileo crafted a fine telescope for observing the
  16. heavens. His hand-drawn pictures of the satellites of Jupiter, the
  17. "cup handles" of Saturn, and the phases of Venus, when combined with
  18. the possible reasons for those facts, shook the very foundations of
  19. the European society in the Middle Ages. Bigger and more powerful
  20. telescopes, combined with even newer tools, such as spectroscopes and
  21. cameras, have answered most of the the questions of those ancient
  22. stargazers. But in doing so, they have unfolded even newer mysteries.
  23.  
  24. Beginning in the 1960s, our view of the heavens reached beyond the
  25. obscuring atmosphere of Earth as unmanned spacecraft carried cameras
  26. and other data sensors to probe the satellites and planets of the
  27. Solar System. Images those spacecraft sent back to the Earth provided
  28. startling clarity to details that are only fuzzy markings on the
  29. planets' surfaces when seen from Earth-based telescopes. Only two of
  30. the presently known planets, Neptune and Pluto, remain unexplored by
  31. our cameras. In August 1989, Voyager 2 will snap several thousand
  32. closeup frames of the planet Neptune and its largest satellite,
  33. Triton. By the end of the 20th century, only Pluto will not have been
  34. visited by one of our spacecraft.
  35.  
  36. The knowledge humans have today of outer space would astound Galileo.
  37. Spacecraft have sent back pictures of a cratered and moon-like surface
  38. of the planet Mercury and revealed circulation patterns in the
  39. atmosphere of Venus. From Mars, they have sent back images of craters,
  40. giant canyons, and volcanoes on the planet's surface. Jupiter's
  41. atmospheric circulation has been revealed, active volcanoes on the
  42. Jovian moon Io have been shown erupting, and previously unknown moons
  43. and a ring circling the planet discovered. New moons were found
  44. orbiting Saturn and the Saturnian rings were resolved in such detail
  45. that over 1,000 concentric ring features became apparent. At Uranus,
  46. Voyager sent back details of a planet that is covered by a
  47. featureless, bluish-green fog. The planet is encircled by rings darker
  48. than charcoal and shaped by shepherding satellites, accompanied by
  49. five large satellites, and immersed in a magnetic field.
  50.  
  51. Those discoveries, and thousands of others like them, were made
  52. possible through the technology of telemetry, the technique of
  53. transmitting data by means of radio signals to distant locations.
  54. Thus, the spacecraft not only carries data sensors but must also carry
  55. a telemetry system to convert the data from the various sensors into
  56. radio pulses. These pulses are received by a huge dish antenna here on
  57. Earth. The signals are relayed to data centers where scientists and
  58. engineers can convert the radio pulses back into the data the sensors
  59. originally measured.
  60.  
  61. A camera system on board the spacecraft measures reflected light from
  62. a planet or satellite as it enters the spacecraft's optical system. A
  63. computer converts the measurements into numerical data, which are
  64. transmitted to a receiver on Earth by radio waves. On Earth, computers
  65. reassemble the numbers into a picture.
  66.  
  67. Because the measurements are taken point by point, the images from
  68. space are not considered "true" photographs, or what photographers
  69. call a "continuous tone," but rather a facsimile image composed of a
  70. pattern of dots assigned various shades from white to black. The
  71. facsimile image is much like the halftones newspapers use to recreate
  72. photographs. [If you examine a newspaper photograph with a magnifying
  73. glass, you will see that is is composed of many small, variously
  74. shaded dots.]
  75.  
  76. Even more closely related to the way images are received from space is
  77. the way a television set works. For a picture to appear on a
  78. television set, a modulated beam of light rapidly illuminates long
  79. rows of tiny dots. filling in one line then the next until a picture
  80. forms. These dots are called picture elements, or pixels for short,
  81. and the screen surface where they are located is called a raster.
  82. Raster scanning refers to the way the beam of light hits the
  83. individual pixels at various intensities to recreate the original
  84. picture. Of course, scanning happens very fast, so it is hardly
  85. perceptible to the human eye. Images from space are drawn in much the
  86. same manner on a television-like screen (a cathode-ray tube).
  87.  
  88. Although cameras on a spacecraft probing the Solar System have much in
  89. common with those in television studios, they also have their share of
  90. differences. For one, the space-bound cameras take much longer to form
  91. and transmit an image. While this may seem like a disadvantage, it is
  92. not. The images produced by the slow-scanning cameras are of a much
  93. higher quality and contain more than twice the amount of information
  94. present in a television picture.
  95.  
  96. The most enduring image gatherer in space has been the Voyager 2
  97. spacecraft. Voyager carries a dual television camera system, which can
  98. be commanded to view an object with either a wide-angle or telephoto
  99. lens. The system is mounted on a science platform that can be tilted
  100. in any direction for precise aiming. Reflected light from the object
  101. enters the lenses and falls on the surface of a selenium-sulfur
  102. vidicon television tube, 11 millimeters square. A shutter in the
  103. camera controls the amount of light reaching the tube and can vary
  104. exposure times from 0.005 second for very bright objects to 15 seconds
  105. or longer when searching for faint objects such as unknown moons.
  106.  
  107. The vidicon tube temporarily holds the image on its surface until it
  108. can be scanned for brightness levels. The surface of the tube is
  109. divided into 800 parallel lines, each containing 800 pixels, giving a
  110. total of 640,000. As each pixel is scanned for brightness, it is
  111. assigned a number from 0 to 255.
  112.  
  113. The range (0 to 255) was chosen because it coincides with the most
  114. common counting unit in computer systems, a unit called a byte. In
  115. computers, information is stored in bits and bytes. The bit is the
  116. most fundamental counting or storage unit, while a byte is the most
  117. useful one. A bit contains one of two possible values, and can best be
  118. thought of as a tiny on-off switch on an electrical circuit. A byte,
  119. on the other hand, contains the total value represented by 8 bits. The
  120. value can be interpreted in many ways, such as a numerical value, an
  121. alphabet character or symbol, or a pixel shaded between black and
  122. white. In a byte, the position of each bit represents a counting power
  123. of 2. (By convention, bit patterns are read from right to left.)
  124. Thus, the first bit (the righmost bit) of the eight bit sequence
  125. represents 2 to the zero power, the second bit refers to 2 to the 1
  126. power, and so on. For each bit in a byte that has a one in it, you add
  127. the value of that power of two (the sequence value) until all eight
  128. bits are counted.  For example, if the byte has the bit value of
  129. 00101101, then it represents the number 45. The binary table at the
  130. end of this document shows how translation of bits and bytes to
  131. numbers is done.
  132.  
  133. If all the bits in an eight-bit sequence are ones, then it will
  134. correspond to the value 255. That is the maximum value that a byte can
  135. count to. Thus, if a byte is used to represent shades of gray in an
  136. image, then by convention the lowest value, zero, corresponds to pure
  137. black, while the highest value 255, corresponds to pure white. All
  138. other values are intermediate shades of gray.
  139.  
  140. When the values for all the pixels have been assigned, they are either
  141. sent directly to a receiver on Earth or stored on magnetic tape to be
  142. sent later. Data are typically stored on tape on board the spacecraft
  143. when the signals are going to be temporarily blocked, such as when
  144. Voyager passes behind a planet or a satellite. For each image, and its
  145. total of 640,000 pixels, 5,120,000 bits of data must be transmitted
  146. (640,000 x 8). When Voyager flew close to Jupiter, data were
  147. transmitted back to Earth at a rate of more than 100,000 bits per
  148. second. This meant that once data began reaching the antennas on
  149. Earth's surface, information for complete images was received in about
  150. 1 minute for each transmission.
  151.  
  152. As the distance of the spacecraft from Earth increases, the quality of
  153. the radioed data stream decreases and the rate of transmission of data
  154. has to be slowed correspondingly. Thus, at the distance of Uranus, the
  155. data has to be transmitted some six to eight times slower than could
  156. be done at Jupiter. That means that only one picture can be
  157. transmitted in the time six pictures were taken at Jupiter. However,
  158. for the Uranus encounter, scientists and engineers devised a scheme to
  159. get around that limitation. The scheme was called data compression.
  160.  
  161. To do that, they reprogrammed the spacecraft en route. Instead of
  162. having  Voyager transmit the full 8 bits for each pixel, its computers
  163. were instructed to send back only the differences between brightness
  164. levels of successive pixels. That reduced the data bits needed for an
  165. image by about 60 percent. Slowing the transmission rate meant that
  166. noise did not interfere with the image reception, and by compressing
  167. the data, a full array of striking images was received. The computers
  168. at NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) restored the correct
  169. brightness to each pixel, producing both black-and-white and
  170. full-color images.
  171.  
  172. The radio signals that a spacecraft such as Voyager sends to Earth are
  173. received by a system of large dish antennas called the Deep Space
  174. Network (DSN). The DSN is designed to provide command, control,
  175. tracking and data acquisition for deep space missions. Configured
  176. around the globe at locations approximately 120 degrees apart, DSN
  177. provides 24-hour line-of-sight coverage.
  178.  
  179. Stations are located at Goldstone, California, and near Madrid, Spain,
  180. and Canberra, Australia. The DSN, managed by NASA's Jet Propulsion
  181. Laboratory in Pasadena, California, consists of three 64-meter
  182. (210-ft) diameter dish-shaped antennas, six 34-meter (111-ft) diameter
  183. antennas, and three 26-meter (85-ft) antennas. As antennas at one
  184. station lose contact, due to Earth's rotation, antennas at the next
  185. station rotate into view and take over the job of receiving spacecraft
  186. data. While one station is tracking a deep space mission, such as
  187. Voyager, the other two are busy tracking spacecraft elsewhere in the
  188. sky.
  189.  
  190. During Voyager's contact with Saturn, the DSN recovered more than 99
  191. percent of th 17,000 images transmitted. That accomplishment required
  192. the use of a technique known as "antenna arraying." Arraying for the
  193. Saturn encounter was accomplished by electronically adding signals
  194. received by two antennas at each site. Because of the great distance
  195. Uranus is from the Earth, the signal received from Voyager 2 was only
  196. one-fourth as strong as the signal received from Saturn. A new
  197. arraying technique, which combined signals from four antennas, was
  198. used during the Uranus encounter to allow up to 21,600 bits of data to
  199. be received each second.
  200.  
  201. Arraying's biggest payoff came in Australia, whose government provided
  202. its Parkes Radio Astronomy Observatory 64-meter antenna to be linked
  203. with the DSN's three-antenna complex near Canberra. The most critical
  204. events of the encounter, including Voyager's closet approaches to
  205. Uranus and its satellites, were designed to occur when the spacecraft
  206. would be transmitting to the complex in Australia. The data were
  207. successfully relayed to JPL through that array.
  208.  
  209. The DSN was able to track Voyager's position at Saturn with an
  210. accuracy of nearly 150 kilometers (about 90 miles) during its closest
  211. approach. This accuracy was achieved by using the network's
  212. radiometric system, the spacecraft's cameras, and a technique called
  213. Very Long Baseline Interferometry, or VLBI. VLBI determines the
  214. direction of the spacecraft by precisely measuring the slight
  215. difference between the time of arrival of the signal at two or more
  216. ground antennas. The same technique was used at Uranus to aim the
  217. spacecraft so accurately that the deflection of its trajectory caused
  218. by the planet's gravity would sent it on to Neptune.
  219.  
  220. When the DSN antennas receive the information from the spacecraft,
  221. computers at the Jet Propulsion Laboratory store it for future use and
  222. reassemble it into images. To recreate a picture from data that has
  223. been sent across the vacuum of space, computers read the data bit by
  224. bit, calculating the values for each pixel and converting the value
  225. into a small square of light. The squares are displayed on a
  226. television screen on the spacecraft. The resulting image is a
  227. black-and-white facsimile of the object being measured.
  228.  
  229. Color images can be made by taking three black-and-white frames in
  230. succession and blending ("registering") them on one another in the
  231. three color-planes of a television screen. In order for that to work,
  232. however, each of the three frames has to be taken by the camera on
  233. board the spacecraft through different filters. On Voyager, one frame
  234. is taken through a blue filter, one through a green, and one through
  235. an orange.
  236.  
  237. Filters have varying effects on the amount of light being measured.
  238. For example, light passes through a blue filter will favor the blue
  239. values in the image making them appear brighter or transparent,
  240. whereas red or orange values will appear much darker than normal. On
  241. Earth the three images are given the appropriate colors of the filters
  242. through which they were measured and then blended together to give a
  243. color image.
  244.  
  245. An important feat the interplanetary spacecraft must accomplish is
  246. focusing on its target while traveling at extremely high speeds.
  247. Voyager sped past Uranus at more then 40,000 miles an hour. To get an
  248. unblurred image, the cameras on board had to steadily track their
  249. target while the camera shutters were open. The technique to do this,
  250. called image-motion compensation, involves rotating the entire
  251. spacecraft under the control of the stabilizing gyroscopes. The
  252. strategy was used successfully both at Saturn's satellite Rhea and at
  253. Uranus. Both times, cameras tracked their targets without
  254. interruption.
  255.  
  256. Once the image is reconstructed by computers on Earth, it sometimes
  257. happens that objects appear nondescript or that subtle shades in
  258. planetary details such as cloudtops cannot be discerned by visual
  259. examination alone. This can be overcome, however, by adding a final
  260. "contrast enhancement" to the production. The process of contrast
  261. enhancement is like adjusting the contrast and brightness controls on
  262. a television set. Because the shades of the image are broken down into
  263. picture elements, the computer can increase of decrease brightness
  264. values of individual pixels, thereby exaggerating their difference and
  265. sharpening even the tiniest details.
  266.  
  267. For example, suppose a portion of an image returned from space reveals
  268. an area of subtle gray tones. Data from the computer indicates the
  269. range in brightness values is between 98 and 120, and all are fairly
  270. evenly distributed. To the unaided eye, the portion appears as a
  271. blurred gray patch because the shades are too nearly similar to be
  272. discerned. To eliminate this visual handicap, the brightness values
  273. can be assigned new numbers. The shades can be spread farther apart,
  274. say five shades apart rather than the one currently being looked at.
  275. Because the data are already stored on computers, it is a fairly easy
  276. task to isolate the twenty-three values and assign them new ones: 98
  277. could be assigned 20, 99 assigned 25, and so on. The resulting image
  278. is "enhanced" to the unaided eye, while the information is the same
  279. accurate data transmitted from the vicinity of the object in space.
  280.  
  281. The past 25 years of space travel and exploration have generated an
  282. unprecedented quantity of data from planetary systems. Images taken in
  283. space and telemetered back to Earth have greatly aided scientists in
  284. formulating better and more accurate theories about the nature and
  285. origin of our Solar System. Data gathered at close range, and from
  286. above the distorting effects of Earth's atmosphere, produce images far
  287. more detailed than pictures taken by even the largest Earth-bound
  288. telescopes.
  289.  
  290. In our search to understand the world as well as the universe in which
  291. we live, we have in one generation reached farther than in any other
  292. generation before us. We have overcome the limitations of looking from
  293. the surface of our planet and have traveled to others. Whatever
  294. yearning drew those first stargazers from the security of their caves
  295. to look up at the night sky and wonder still draws men and women to
  296. the stars.
  297.  
  298. ______________________________________________________________________
  299.  
  300.  
  301.  
  302. BINARY TABLE
  303.  
  304. Bit of Data         8     7     6     5     4     3     2     1
  305. ----------------------------------------------------------------------
  306. Sequence Value    128    64    32    16     8     4     2     1
  307. Binary Value        0     0     1     0     1     1     0     1
  308. Byte Value          0    +0   +32    +0    +8    +4    +0    +1  = 45
  309.  
  310.  
  311.  
  312. Sequence Value    128    64    32    16     8     4     2     1
  313. ----------------------------------------------------------------------
  314. Brightness Values               Binary Values
  315. ----------------------------------------------------------------------
  316.   0   (black)       0     0     0     0     0     0     0     0
  317.   9   (dark gray)   0     0     0     0     1     0     0     1
  318.  62   (gray)        0     0     1     1     1     1     1     0
  319. 183   (pale gray)   1     0     1     1     0     1     1     1
  320. 255   (white)       1     1     1     1     1     1     1     1
  321.  
  322. ______________________________________________________________________
  323.  
  324.  
  325.  
  326. BRIEF HISTORY OF PICTURES BY UNMANNED SPACECRAFT
  327.  
  328. NAME:     Pioneer 4
  329. YEAR:     1959
  330. MISSION:  Moon: measured particles and fields in a flyby, entered
  331.           heliocentric orbit.
  332.  
  333. NAME:     Ranger 7
  334. YEAR:     1964
  335. MISSION:  Moon: 4,316 high-resolution TV pictures of Sea of Clouds;
  336.           impacted.
  337.  
  338. NAME:     Ranger 8
  339. YEAR:     1965
  340. MISSION:  Moon: 7,137 pictures of Sea of Tranquility; impacted.
  341.  
  342. NAME:     Ranger 9
  343. YEAR:     1965
  344. MISSION:  Moon: 5,814 pictures of Crater Alphonsus; impacted.
  345.  
  346. NAME:     Surveyor 1
  347. YEAR:     1966
  348. MISSION:  Moon: 11,237 pictures, soft landing in Ocean of Storms.
  349.  
  350. NAME:     Surveyor 3
  351. YEAR:     1967
  352. MISSION:  Moon: 6,315 pictures, first soil scoop; soft landed in Sea
  353.           of Clouds.
  354.  
  355. NAME:     Surveyor 5
  356. YEAR:     1967
  357. MISSION:  Moon: more than 19,000 pictures; first alpha scatter
  358.           analyzed chemical structure; soft landed in Sea of
  359.           Tranquility.
  360.  
  361. NAME:     Surveyor 6
  362. YEAR:     1967
  363. MISSION:  Moon: 30,065 pictures; first lift off from lunar surface,
  364.           moved ship 10 feet, soft landed in Central Bay region.
  365.  
  366. NAME:     Surveyor 7
  367. YEAR:     1968
  368. MISSION:  Moon: returned television pictures, performed alpha scatter,
  369.           and took surface sample; first soft landing on ejecta
  370.           blanket beside Crater Tycho.
  371.  
  372. NAME:     Lunar Orbiter 1
  373. YEAR:     1966
  374. MISSION:  Moon: medium and high-resolution pictures of 9 possible
  375.           landing sites; first orbit of another planetary body;
  376.           impacted.
  377.  
  378. NAME:     Lunar Orbiter 2
  379. YEAR:     1966
  380. MISSION:  Moon: 211 frames (422 medium and high-resolution pictures);
  381.           impacted.
  382.  
  383. NAME:     Lunar Orbiter 3
  384. YEAR:     1967
  385. MISSION:  Moon: 211 frames including picture of Surveyor 1 on lunar
  386.           surface; impacted.
  387.  
  388. NAME:     Lunar Orbiter 4
  389. YEAR:     1967
  390. MISSION:  Moon: 167 frames; impacted.
  391.  
  392. NAME:     Lunar Orbiter 5
  393. YEAR:     1967
  394. MISSION:  Moon: 212 frames, including 5 possible landing sites and
  395.           micrometeoroid data; impacted.
  396.  
  397. NAME:     Mariner 4
  398. YEAR:     1964
  399. MISSION:  Mars: 21 pictures of cratered moon-like surface, measured
  400.           planet's thin, mostly carbon dioxide atmosphere; flyby.
  401.  
  402. NAME:     Mariners 6 and 7
  403. YEAR:     1969
  404. MISSION:  Mars: verified atmospheric findings: no nitrogen present,
  405.           dry ice near polar caps; both flybys.
  406.  
  407. NAME:     Mariner 9
  408. YEAR:     1971
  409. MISSION:  Mars: 7,400 pictures of both satellites and planet's
  410.           surface; orbited.
  411.  
  412. NAME:     Mariner 10
  413. YEAR:     1973
  414. MISSION:  First multiple planet encounter.
  415.  
  416.           Venus: first full-disc pictures of planet; ultraviolet
  417.           images of atmosphere, revealing circulation patterns;
  418.           atmosphere rotates more slowly than planetary body; flyby.
  419.  
  420.           Mercury: pictures of moon-like surface with long, narrow
  421.           valleys and cliffs; flyby; three Mercury encounters at
  422.           6-month intervals.
  423.  
  424. NAME:     Pioneer 10
  425. YEAR:     1972
  426. MISSION:  Jupiter: first close-up pictures of Great Red Spot and
  427.           planetary atmosphere; carries plaque with intergalactic
  428.           greetings from Earth.
  429.  
  430. NAME:     Pioneer 11 (Pioneer Saturn)
  431. YEAR:     1973
  432. MISSION:  Jupiter: pictures of planet from 42,760 km (26,725 mi) above
  433.           cloudtops; only pictures of polar regions; used Jupiter's
  434.           gravity to swing it back across the Solar System to Saturn.
  435.  
  436.           Saturn: pictures of planet as it passed through ring plane
  437.           within 21,400 km (13,300 mi) of cloudtops; new discoveries
  438.           were made; spacecraft renamed Pioneer Saturn after leaving
  439.           Jupiter.
  440.  
  441. NAME:     Pioneer Venus 1
  442. YEAR:     1978
  443. MISSION:  Venus: studied cloud cover and planetary topography;
  444.           orbited.
  445.  
  446. NAME:     Pioneer Venus 2
  447. YEAR:     1978
  448. MISSION:  Venus: multiprobe, measuring atmosphere top to bottom;
  449.           probes designed to impact on surface but continued to return
  450.           data for 67 minutes.
  451.  
  452. NAME:     Viking 1
  453. YEAR:     1975
  454. MISSION:  Mars: first surface pictures of Mars as well as color
  455.           pictures; landed July 20, 1976; remained operating until
  456.           November 1982.
  457.  
  458. NAME:     Viking 2
  459. YEAR:     1975
  460. MISSION:  Mars; showed a red surface of oxidized iron; landed
  461.           September 03, 1976.
  462.  
  463. NAME:     Voyager 1
  464. YEAR:     1977
  465. MISSION:  Jupiter: launched after Voyager 2 but on a faster
  466.           trajectory; took pictures of Jupiter's rapidly changing
  467.           cloudtops; discovered ring circling planet, active volcano
  468.           on Io, and first moons with color: Io, orange; Europa,
  469.           amber; and Ganymede, brown; flyby.
  470.  
  471.           Saturn: pictures showed atmosphere similar to Jupiter's, but
  472.           with many more bands and a dense haze that obscured the
  473.           surface; found new rings within rings; increased known
  474.           satellite count to 17; flyby.
  475.  
  476. NAME:     Voyager 2
  477. YEAR:     1977
  478. MISSION:  Jupiter: color and black-and-white pictures to complement
  479.           Voyager 1; time-lapse movie of volcanic action on Io; flyby.
  480.  
  481.           Saturn: cameras with more sensitivity resolved ring count to
  482.           more than 1,000; time-lapse movies studied ring spokes;
  483.           distinctive features seen on several moons; 5 new satellites
  484.           were discovered; flyby.
  485.  
  486.           Uranus: first encounter with this distant planet; photo-
  487.           graphed surface of satellites, resolved rings into multi-
  488.           colored bands showing anticipated shepherding satellites;
  489.           discovered 10 new moons, 2 new rings, and a tilted magnetic
  490.           field; flyby.
  491.  
  492.           Neptune: encounter scheduled for 1989.
  493.  
  494. ---
  495. NASA FACTS, HOW WE GET PICTURES FROM SPACE, Haynes, NF-151/7-87
  496.  
  497.  
  498.  
  499.