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Electrónica y espacio: los retos de la telecomunicación en el espacio lejano
Electrónica y Espacio Fotografía sacada por el Voyager a 34 millones de kilómetros del planeta Saturno el día 18 de Octubre de 1980 Los retos de la telecomunicación en el espacio lejanot la Red DSN CDeep Space NetworlO Las comunicaciones con los ingenios lanzados al espacio lejano reúnen una serie de características que las diferencian enormemente de los procesos que se siguen cuando las distancias son mucho menoresc Tal problemáticas junto con las soluciones a las que se llega para lograr los objetivos en tan enorme distancia dan lugar al presente artículof obra de JOSÉ MANUEL URECHr Ingeniero jefe de las instalaciones de la red NASASA en MadricL Electrónica y Espacio José Manuel Urech En las últimas dos décadas la NASA ha enviado gran variedad de vehículos es paciales a la exploración del Sistem So lar Para ello creó una red de control y recepción de datos la DSN cuyo centro de control está en JPL ÍJet Propulsión Laboratory y las estaciones de transm sión y recepción distribuidas en tres complejos similares en Californias Austro lia y España posibilitan un contacto co tinuo con dichos vehículosi En el caso español la Estación DSN de Madrid en las cercanías de Robledo de Chavela que actualmente consta de dos grandes ante nas parabólicas de 34 y 64 metros de diá metrOf fue construida y funciona según el convenio de cooperación científica fi mado entre los Estados Unidos de Amérh ca y España y un contrato entre NASA e INTA para el mantenimiento y la opera ción por ingenieros y técnicos español En estos años la evolución técnica y científica en este campo ha sido treme damente signifícate Asú comparando que en 1965 el Mariner IV conseguía e viar 22 fotografías de baja resolución de la superficie de Marte con el deslurrv brante proyecto Voyager que en 1980 había enviado miles de fotografías en z lor de los lejanos planetas Júpiter y Sa turno con sus satélites y anillosf se puede concluir que en 15 años la telecomun ción con el espacio lejano se ha mejorado por un factor de 150 000 veces teniendo en cuenta la mucho mayor distancié y la cantidad y calidad de la información rec bidaí El cómo y por qué de esta evol ción es lo que se pretende describir de forma somera a continuación CONSIDERACIONES GENERALESi EL CANAL DE TELECOMUNICACIÓN El canal de telecomunicación es el enlace radio entre la Tierra y el vehículo que permite la transmisión de inforn ción y el control remoto de dicho veh cu Sus funciones básicas son tresi tele medidaf telemando y seguimiento ío da tos métricosh La telemedida se puede considerar la fundamental de las tres pues el objetivo de una misión a los planetas es naturaL mente recibir en Tierra la información que el vehículo encuentra en su lejano entornOj y por lo tantc un fallo total de dicha función supondría el faüo de la misión En general se desglosa en tres th pos de datosi los fotográficos o videc que se caracterizan por el gran volumen de información y su tolerancia a algunos errores de transmisión por la gran redu dancia o correlación presente en la foto grafíai otros datos científicos fcampos magnéticoSf radiometrías espectrometrías temperatura etc etcj de menor vol men pero más exigencia de calidad en la transmisión y los datos de ingeniería o comportamiento del vehículo fconfigura ción energía disponibles orientación etcj cuyo volumen como es logice es mínime pues poco valdría una misión que gastara los escasos recursos en info marnos del vehículo y no del entorno que está explorando4 La función de telemando permite el control del veh ículo desde Tierra y la po sible modificación adaptativa de la mV sión en función de los conocimientos o situaciones que se van presentando Se caracteriza por su bajo volumen de infor mación Comparado con la telemedidaj pero su gran exigencia en la calidad de la transmisión pues un comando en error podría ser catastrófico para la misión La tercera función del enlace radio menos conocida pero de gran importan cia se obtiene midiendo el efecto dop plerdelasenaly el tiempo que tarda en ir y volver del vehículo lo que permite est mar la velocidad radial y distancia relath vaSs como datos fundamentales para el cálculo de la trayectoria del vehículo y la navegación a su destine Simultáneamen Xet las perturbaciones de las ondas de dio en el medio de transmisión sobre Xo do en la ocultación por un planeta s ministran datos científicos sobre la a mósfera del planetas el plasma solar e incluso efectos gravitatorios y relatK I Estos datos métricos normalmente de muy baja velocidad necesitan una gran estabilidad del equipo ífrecuencia fase y tiempo y una superprecisión en lamedida ÍVer Condicionantes del canal Las condiciones en que el canal de telecomunicación puede realizar sus tres funciones básicas dependen de un pa metro fundamentad la relación Señal7 Ruido ÍSNRh Es decir la cantidad y calh dad de los datos dependen del nivel de señal disponible en relación con el ruido electrónico presente en la detección Para tratar de entender cómo opth mizar dicho canal y los compromisos que existen es conveniente plantear una ecuación simple pero fundamentad donde P es la potencia recibida ÍO tans mitida üh en watiosi No es la densidad espectral de ruide en watios por Hertzi G la ganancia o potencia de enfoque de la antenai R la distancia entre el transmisor y el receptor en metrosi A el área eficaz de la antena en o2t L el factor de pérdh das del conjuntoi k la constante de Boltz mann Ts es la temperatura equivalente al ruido del sistema en grados kelvin f la frecuencia de transmisión en Hertzsi y finalmente c la velocidad de la luzí 3J08 Suponiendo el caso en que el vehíc lo es el transmisor y la estación terrena la receptoras se pueden analizar los s guientes compromisos en la telecomun cación con el espacio lejanoi La potencia de transmisión Pt i teresaría aumentarla lo más posible pero el cuidadoso balance de cargas útiles y energía en un vehículo de exploración planetaria no permite potencias mayores de 10 a 30 wB Esto no es muchc fmenor que la potencia de una bombilla caseraj teniendo en cuenta que el enlace hay que establecerlo hasta varios miles de millo nesde km en distancia Otra forma sería el aumentar la ganancia o área efectiva de la antena transmisor Esto vuelve a encontrar el eterno compromiso de peso y volumen vehículo espacial EQUIPO DE TIERRA RESUSTADOS CIENTÍFICOS CENTRO DE CONTROL DE LA MISIÓN TELEMEDIDA SEGUIMIENTO TELEMANDO MODULACIÓN PROCESADOR TELEMANDO TRANSMISOR BANDA Diagrama típico del Sistema de TelficomunicacióiL videsSUBSISTEMA CODIFICADOR M0DULAD0R TELEMEDIDA RADIO FRECUENCIA TRANSMISORES ANTENAS CIENCIA INGENIERÍA DE DATOS DEMODULADOR TELEMANDO RECEPTORES RANGING BANDAS CONTROLES COMPUTADOR DE CONTROL EFECTOS DE PLASMA Y PLANETARIOS TELEMEDIDA DEMODULACIÓN DETECCIÓN DECODIFICACION RECEPTORES BANDASS y X DEMODULACIÓN PORTADORA DOPPLER ANTENA RANGING EFECTOS IONOSFÉRICOS Y ATMOSFÉRICOS Electrónica y Espacio en los vehículos espaciales y sus cohetes lanzador Ademán cuanto mayor es la ganancia de la antena más estrecho es su haZf lo que a las distancias que se mane jan requiere una gran precisión de apurv tamientc y por lo tanto de estabilización y orientación del vehícu Aunque en cada proyecto el tamaño se ha ido aih mentando con el tiempoi hasta la fecha la mayor antena de 2J m de diámetro la llevan los vehículos Voyager Algo equivalente se podría decir en cuanto a las antenas receptor En este caso el compromiso es técnicoe nómico habiendo empezado la red DSN con paraboloides de 26 m de diámetro pero en la actualidad dispone de 34 y 64 m de diámet Estos últimos de 2J00 toneladas la parte móvil exigen sistemas de apuntamiento muy sofisticados para tratar de compensar las pequeñas defle xiones térmicaSf gravitatorias o eólicasa Baste como ejemplo que un pequeñísimo error de 17 milésimas de grado supondría en banda X una pérdida de la mitad de la señaL Otro medio de aumentar el área caz es combinando de forma coherente y precisa las señales recibidas por ambas antenaSf método utilizado en los perío dos más exigentes de cada misión La frecuencias que interviene en la ecuación fundamental según su cuad dor interesaría en principio utilizar la más alta posib La Red se inició en da S Í2 300 MHzJ y en la actualidad be también en banda X Í8OO MHzL lo que supone un factor de mejora del o den de 13 vecesl Esto no es tan simpleí pues la mayor frecuencia exige mucha mayor precisión de apuntamientof así z mo la perfección de la superficie del pa raboloide ya que lo que se gana por un lado se podría perder por otrr Además la banda X es mucho más sensible a las condiciones atmosféricasí pudiendo au mentar las pérdidas por un factor de 10 en períodos de lluvia La distancia que también aparece según su cuadrado juega un papel en contra muy significativo y determinante de la complejidad de las telecomunicación nes con el espacio lejanc Téngase en cuenta que las distancias a los planetas próximos se miden en cientos de mil nes de kilómetros y a los exteriores en miles de millonesí En particular el Pione ro 10j fuera de los confines del sistema solar a más de 5 000 millones de Kmv mantiene todavía su comunicación con la El término L de pérdidas tiende a minimizarse siendo en la actualidad prác ticamente despreciaba Y finalmente Ts se ha reducido a límites muy bajos sien do una característica clave de la red DSN la utilización de preamplificadores MA SER que trabajan con Helio líquido sólo a 4o sobre el cero absoluto de temperaUh ras y con lo que se consigue bajar la tenv peratura de ruido a unos 180IC Todo el análisis anterior sería similar en el caso inverso en que la estación te rrena sea la transmisora y el vehículo el receptor La diferencia más significativa se debe a que la temperatura de ruido del receptor íal no llevar MASERj es del den de L500oKí y sólo se transmite en banda S4 Esto requiere que la potencia transmitida desde Tierra sea del orden de kilowatios para mantener la capacidad del canaL La red que comenzó con transmisores de 10 Kw en la actualidad cuenta con equipos de 20 y 100 Kwí y se está en proceso de instalación de un transmisor de 400 Kw todos ellos en o da continuaI CONSIDERACIONES ESPECIFICAS SOBRE LASTRES FUNCIONES BÁSICAS En la discusión anterior se conterrv pla el problema del SNR de forma global no obstante la potencia total disponible hay que repartirla para realizar las tres funciones básicasB Esto se consigue por modulación en fase de la señal portadora con los datos a transmitir lo que permite Fotografía sacada por el Voyager a 28 4 millones de kilómetros del planeta el día 5 de Febrero de Se puede ver a Júpiter con tres de sus satélites lo enfrente Europa a la derecha y Cal listo abajos Electrónica y Espacio una demodulación coherente óptima diante el uso de receptores seguidores de fase Cphase lock loop de muy alta se sibilidadí Estos receptores en conjunción con los MASEF son capaces de seguir señales extremadamente débiles del or den de 1021 watios El reparto de po tencia es una vez más un delicado corrv promiso entre las tres funciones lo que requiere adoptar un índice de modu ción óptimo para cada misión o fase de ésta Telemedida Una vez demodulada la portador la telemedida requiere una posterior demo dulación de la subportadoraí la sincronía zación y detección de símbolos y finaN mente una decodificación si es que los datos vienen codificados Después de este procese debido al nivel de ruido presenta los datos pueden tener algunos bits en error siendo esta probabilidad tanto mayor cuanto menor es el SNF En el caso de datos no codifh cados dicha probabilidad depende de la relación señalAuido EB7N0 ÍEnergía por bitXdensidad espectral de ruidol según la curva di de la fig 2 Este tipo de trans misión no codificada se utilizó en las pr meras misiones pero posteriormentef para aprovechar mejor la energía disponh ble por bit se fueron introduciendo dife rentes tipos de codificación en función del desarrollo tecnológicos y la capacidad y rapidez creciente de los computadores Esto requiere que el vehículo espacial disponga de un codificador que transfo me cada bit de información en varios símbolos interelacionados entre si y es esta redundancia la que permite al equ po de tierra mediante procesos bastante complejos la corrección de parte de los errores de la transmisión mejorando por lo tanto la eficacia del canaL En casos especiales como los datos científicos del Voyage se utiliza una doble codifican ción o códigos concatenados con lo que se complica grandemente la decodifica ción en tierra pero se garantiza una nr jor calidad de los datos En la fig 2t la curva iD representa la mejora introducida por los códigos de bloquean uso en las misiones Mariner y Vikingo entre los años 1969 y 1976 La curva ffl pertenece a los códigos convo lucionales cortos con decodificador terbi utilizado por la misión Voyagery casi todos los vehículos modernos La curva f4J es el resultado de los códigos concatenados ya mencionados anteriora mente Y finalmentef la curva Í5J rep senta el límite teórico de Shannon que supondría un código de complejidad y ancho de banda infinitud pero del que ya no se está tan lejos Telemando Por sus características de bajo vol men de información y gran exigencia de calidadj el canal de telemando suele fu cionar con márgenes amplios de pote cia y para mayor seguridad utilizan gún tipo de codificación simple que mite la detección de posibles errores tes de su ejecución En las primeras misiones con culos relativamente simples la mayoría de los comandos eran de acción directa pero en la actualidad mucho más sofista cada lo normal es que el computador de a bordo lleve las secuencias preprograrr das que realizará de forma automática en su debido momen Este es el único dio de poder realizar secuencias de ción muy elaboradas y en corto espacio de tiempe requeridas en el encuentro con los planetas pues debido a las gran des distancias el tiempo de reacción a los comandos directos sería de varias horasl Por lo tantc la actividad de telemando se limita fundamentalmente a de forma es porádica y con suficiente antelación a su ejecución enviar las modificaciones pe tinentes a dichas secuencias Esto evide temente supone una menor criticidad o Electrónica y Espacio mayor flexibilidad y en caso de fallo tal del telemandOj el vehículo realizaría la misión nominal preprogramada sin ser por tanto un fallo total de éstaB Seguimiento o Datos Métricos La precisión de medida del efecto dopplerí se obtiene cuando la estación te rrena transmite una frecuencia muy p cisa y estable y el vehículo la retransm te ímultiplicada por un factor fijoK La comparación de ambas en tierra CDc plertwoaysesuna medida de lavelo cidad radial relaté La distancia se obtiene midiendo su equivalente el tiempo que tarda la señal en ir y volver del vehículc Se realiza rr diante el sistema Ranging que modula la señal transmitida desde Tierra con una serie de códigos o tonos preselecciona dost Estos son retransmitidos por el vehí culc y por comparación o correlación en dicho sistema se obtiene el tiempo trans currido con una resolución de varios r nosegundos OCh9 segj equivalente sólo a varios metros en distancias planetariasí Los dos parámetros anteriores y su variación en función del tiempo y la ro tación de la Tierra permiten el muyela borado cálculo de las trayectorias u órbi tasB Este ha sido el método normal dih rante largos añosi no obstante las exigen cias cada vez mayores para la navegación a planetas muy lejanos y a sus satélitesf han dado lugar al desarrollo de un méto do complementaria el DOR basado en técnicas radioastronomías de inte rometría de larga baset De forma simple este método se basa en la recepción sh multánea de la señal de vehículo en dos estaciones muy distantes entre sí fLea Ca lifornia y MadricD y a la vezt la observa ción de radioestrellas fquasarsl perfectas mente localizadas en el espac La inte ferometría producida por la señal del ve hículo en ambas estaciones comparada con la producida por los quasarsf permite una determinación muy precisa de la orientación y parámetros del movimiento del vehículo espaciah Los métodos anteriores son muy exh gentes en cuanto a precisión siendo furv damental para ello las siguientes caracte rísticasde la red DSNi Gran estabilidad y precisión de los equipos sobre todo los de referencia de frecuencia y tierra Inicialmente se utilizaban patrones atómicos de Rubidic progresando posteriormente a patrones de Cesic y en la actualidad se utilizan ifMasersfl de Hidrógeno que consiguen una máxima estabilidad de frecuencia de El tiempo o reloj obtiene su es tabilidad del patrón de frecuencia pero es necesaria la perfecta sincronización de todos los de la Red Para ello existen va rios sistemas de intercomparación siendo en nuestro caso los más significativosr el LORAIC con precisión de unos 300 nanosegundosi y recientemente el GPS CGIobal Positioning Satellite SysterrT sistema de satélites en órbita terrestre que permiten una transferencia de tienv po entre estaciones mejor de 50 nanose gundoSi y estabilidad diaria mejor de 10 nanosegundosí Perfecto conocimiento de la posi ción relativa de las estaciones sobre la sih perfie terrestres siendo éste en la actual dad del orden de sólo varios centímetro Finalmente es importante la cali bración del medio que atraviesa la señal para lo que se dispone además de una estación meteorológica completa de un medidor de rotación de Faraday y un ra diómetro de vapor de agua que determh nan el contenido electrónico y de hurr dad de dicho medio respectivamente FUTURO PROXIMOi MISIONES E IMPLICACIONES EN LA RED Misiones Entre otras muchas cabe destacar por sus exigencias el Voyager y üi El Voyager que ya pasó hace años por Júpiter y Saturnc va camino de Ura nOf al que pretende explorar en Enero de 1986 y posteriormente Neptuno en Agosto de 198 Este evidentemente de bido a la mayor distancia supone nuevas exigencias para las tres funciones básicas del canal de telecomunicación y por lo tanto para la red DSN ya que el vehículo en vuelo no es mejoraba El Galilec previsto su lanzamiento en Mayo de 1986 pretende explorar con mucho más detalle el sistema de Júpiter poniéndose en órbita de éste y práct mente saltando de satélite en satélite utilizando la deflexión gravitatoria de ca da uno de ellosl El vehículof ligeramente mejorado con respecto al Voyager dis pondrá de una antena plegable algo rr yor Í4i8 m de diámetroj y capacidad de transmisión y recepción en banda X4 Además de la gran cantidad de datos científicos y fotográficos que transmit ráj y la variedad de secuencias a progra mao su mayor reto parece la extraordina ria dificultad de navegación gravitatoria entre satélites La red DSN Todas estas nuevas exigencias un das a una mayor carga de trabajo al desa parecer la otra red de NASA ÍGSTDNh supondrán modificaciones significativas de la Red Instalación de una antena de 26 m en cada uno de los tres complejos pa ra absorber la carga de trabajo de losve hículos cercanos Construcción de otra antena de 34 mf de alta eficiencia y transmisión en banda X que podrá ser combinada con las otras para aumentar el área eficaz de recepción Amplificación a 70 m de la ante na de 64 m y perfeccionamiento de sus superficies reflectoras Mayor automatización de los equipos y mejoras en los sistemas de caIN bracios Estudio de la posible utilización futura de la banda K í2Z000 MHzK Es importante señalar que para el en cuentro con Neptunc se pretende com binar no sólo las antenas de la Redf sino las de otros observatorios radioastronó micos comoi Parkes en Australiaj Bonn en Alemaniaj y el VLA ÍVery Large Arrayl de 27 antenas en Nuevo Méjicc CONCLUSIÓN Todo lo anterior resume la evolución de las telecomunicaciones con el espacio lejano y demuestra que el trabajar sienrv pre cerca de los límites hace que éstos se vayan paulatinamente superando forza do el ingenio humano y en consecuencia el desarrollo tecnológicc
30 oct 2015