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Asunto: [FRACOL COLOMBIA] LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS EN EL ESPACIO
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LAS ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS EN EL ESPACIO
Es muy importante conocer el comportamiento de las ondas electromagnéticas en el espacio, ya que sobre ellas se montarán los enlaces que nos permitirán la comunicación con las sondas espaciales. En el espacio reina el vacío, y en ese "medio" las ondas electromagnéticas se propagan en línea recta a la velocidad de la luz que es de 299792 Km/s. Irá más despacio cuando atraviese medios más densos como polvo espacial, atmósferas planetarias, etc... El desplazamiento rectilíneo de las ondas electromagnéticas, entre ellas la luz, es aparente, ya que en realidad sufren una ligera curvatura al pasar cerca de grandes masas, según la teoría general de la relatividad.
La cantidad de energía que llega a un dispositivo localizado a una distancia determinada de una fuente es proporcional a la cantidad de energía que pasa a través de la superficie de una esfera imaginaria con un radio igual a la distancia anterior. Por eso, la cantidad de energía electromagnética que llega es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia. Esto produce una pérdida de fuerza en la señal al atravesar el espacio, llamada "perdidas de propagación".
Este aspecto es muy importante en la exploración del Universo, ya que significa que la radiación electromagnética observable decrece de forma muy rápida cuando aumentamos la distancia al emisor. Si el emisor es una nave espacial con un transmisor de baja potencia o una estrella extremadamente potente, llegará sólo una pequeña cantidad de energía electromagnética a un detector en la Tierra ya que a distancias muy grandes, la Tierra supone una mínima superficie en una esfera imaginaria enorme.
La velocidad de la luz en el vacío, 299792 Km/s, es la tasa de propagación de todas las ondas electromagnéticas. La longitud de onda de una radiación es la distancia que la onda recorre durante el tiempo requerido por una oscilación. Hay pues una relación sencilla entre la frecuencia y la longitud de onda:
Las diferentes señales electromagnéticas existentes se clasifican según su frecuencia en el llamado espectro electromagnético. Este incluye, en orden de frecuencias crecientes: radio frecuencia (RF), infrarrojos (IR), luz visible, ultravioletas (UV), rayos X, y rayos gamma. Esas designaciones describen sólo diferentes frecuencias del mismo fenómeno: radiación electromagnética.
Las radiaciones electromagnéticas con frecuencias entre 10 kHz. y 100 GHz. son conocidas como radiofrecuencias (RF). Éstas son las que nos interesan para comunicaciones en misiones interplanetarias. Las RF están divididas en grupos de similares características llamados "bandas". Las bandas a su vez están divididas en pequeños rangos de frecuencia llamados "canales", algunos de los cuales están reservados para su uso en las telecomunicaciones con el espacio profundo. La mayor parte de los vehículos espaciales usan la banda S o la banda X, las cuales están en un rango de 2 a 10 GHz. Estas frecuencias suelen ser llamadas microondas ya que su longitud de onda es muy corta, del orden de centímetros. La siguiente tabla muestra los nombres y características de las bandas de microondas usadas en las comunicaciones con las misiones de exploración del espacio:
Un enlace de comunicaciones de espacio profundo desde la Tierra tiene una serie de problemas que afectan a la calidad del mismo. Vamos a ver algunas de estas dificultades con las que nos topamos a la hora de comunicarnos con una sonda espacial. A causa de ellas tendremos un nivel de fondo de ruido electromagnético entre el que las señales de las naves deben ser detectadas. La relación entre el nivel de la señal y el del ruido se conoce como "nivel señal-a-ruido" (SNR ó S/N) y debe ser alto para permitir la adecuada recepción de las señales emitidas por las sondas.
En ciertas longitudes de onda la observación desde la superficie de la Tierra es imposible, ya que existe absorción por parte de nuestra atmósfera. La atmósfera es opaca para la mayor parte del espectro, pero existen algunos rangos de frecuencia en los que las características de absorción bajan y las señales pueden pasar. Esos rangos se llaman ventanas y hacen posible ver la luz visible y recibir radiofrecuencias, por ejemplo. Esto motiva el uso de las bandas X y S en comunicaciones espaciales, ya que a sus frecuencias la atmósfera afecta poco a la señal.
Incluso aunque la atmósfera sea transparente a la banda X, existe un problema cuando hay agua en la atmósfera. El agua produce ruido en las frecuencias de la banda X, por eso la lluvia en los lugares de recepción incrementa el nivel de la temperatura de ruido, lo que puede hacer que la SNR sea tan baja que no permita la recepción de las comunicaciones.
Otro fenómeno que afecta a las comunicaciones es el efecto Doppler. Este efecto hace que la frecuencia que observamos difiera de la frecuencia radiada por la fuente si existe movimiento que varíe la distancia entre la fuente y el observador. Cuando la distancia entre la fuente y el receptor de las ondas electromagnéticas permanece constante, la frecuencia de la fuente y la de la onda recibida son las mismas. Cuando la distancia entre la fuente y el receptor está incrementándose, la frecuencia de la onda recibida es menor que la frecuencia de la fuente. El caso contrario ocurre cuando la distancia disminuye. Esto queda mejor explicado en el siguiente gráfico:
El efecto Doppler es habitualmente observado en las frecuencias de las señales recibidas por las estaciones terrestres cuando siguen a una nave. El incremento o decremento de las distancias entre la nave y la estación receptora puede venir provocado por la trayectoria de la nave, su órbita alrededor de un planeta (o la misma Tierra), el giro de la Tierra alrededor del Sol, o la rotación diaria de la Tierra sobre su eje. Una nave que se acerque a la Tierra produce un incremento positivo en la frecuencia de la señal recibida. Sin embargo, si se aleja de la Tierra este incremento es negativo. Solamente será cero cuando la trayectoria sea totalmente perpendicular a la superficie de la tierra en el punto de observación. Además, el movimiento de rotación de la Tierra produce un aumento positivo en la señal de una nave que sale por el este de una estación receptora y un incremento negativo si la nave sale por el oeste.
Sin embargo, el efecto Doppler también tiene aplicaciones beneficiosas. Si dos estaciones receptoras muy separadas observan una nave en órbita alrededor de otro planeta, tendrán cada una un punto de vista diferente, y por ello una cantidad diferente de desviación Doppler. Se puede extraer valiosa información de esta diferencia de efecto Doppler, como la posición exacta de la nave en el espacio tridimensional. Este tipo de datos, Doppler diferencial, es una forma útil de obtener datos de navegación con un alto grado de resolución espacial
Otro efecto sufrido por las ondas electromagnéticas es la refracción. La refracción es la curvatura que sufren las ondas electromagnéticas cuando pasan de un medio a otro. El índice de refracción es la ratio entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad de la luz en la sustancia del medio observado. La ley de refracción establece que cuando las ondas pasan de un medio a otro de diferente índice de refracción modifican la dirección de su desplazamiento.
El vacío y el aire tienen índices de refracción distintos. Así, las ondas electromagnéticas cuando entran en la atmósfera de la Tierra desde el espacio se curvan ligeramente por causa de la refracción. La refracción atmosférica es mayor en señales cercanas al horizonte, y crea una altitud aparente de la señal del orden de medio grado superior de su altitud real. Como la tierra gira y el objeto gana altitud, el efecto de la refracción se reduce, llegando a cero en el cenit. Este efecto proporciona hasta cinco minutos más de luz solar a las zonas ecuatoriales debido a que el Sol aparece más alto de lo que en realidad está.
Si la señal de una nave pasa a través de la atmósfera de otro planeta, las señales que salen de la nave se curvarán ligeramente. Esta curvatura puede causar que la ocultación (que la nave se mueva en la sombra de RF de la Tierra) suceda más tarde de lo esperado y que la salida de dicha ocultación ocurra antes de lo supuesto. El procesado de estos hechos, proporciona una base para inferir la composición y estructura de la atmósfera de los planetas.
Además de las interferencias naturales que produce el agua en la banda X, puede haber otras fuentes, tales como las interferencias de radio producidas por el hombre. Muchas naves en órbitas terrestres tienen enlaces de bajada muy potentes cerca de las frecuencias utilizadas para comunicaciones del espacio profundo. El Goldstone Solar System Radar usa un transmisor muy potente que puede interferir en la recepción en las estaciones cercanas. Sea cual sea la fuente interferente de RF, su efecto es aumentar el ruido decrementando por tanto la SNR y dificultando, o imposibilitando, recibir datos válidos desde una nave en el espacio.
Además, están las interferencias provocadas por emisores naturales de radiaciones electromagnéticas. En las estrellas, el Sol, nubes de partículas y planetas gaseosos gigantes como Júpiter tienen lugar una serie de reacciones nucleares que provocan gran cantidad de energía. Esa energía sale de los cuerpos en forma de ondas electromagnéticas, a unas frecuencias que depende de la cantidad de energía generada (principio de Planck). Estas señales pueden introducir ruido en las comunicaciones de espacio profundo, ya que algunos cuerpos emiten en la banda de RF.
Esta emisión natural de señales electromagnéticas sirve para estudiar la composición y mecánica de los astros. Con equipos adecuados, desde la Tierra podemos recoger y procesar esta radiación de los emisores naturales y conocer la energía que son capaces de generar. A esto se le llama radioastronomí a.
SEGMENTO ESPACIAL
Una sonda es solamente el sistema de vuelo de un programa de exploración espacial. Su diseño depende del trabajo al que esté destinada (orbitador, módulo de aterrizaje, crucero espacial, ...) y de la región del sistema solar que vaya a explorar. Pero a pesar de las diferentes formas existentes, en todas las sondas espaciales podemos distinguir dos partes: la carga útil, formada por todos los instrumentos científicos, y el bus, formado por el resto de elementos de la nave.
Dentro del bus podemos encontrar los subsistemas de operaciones, encargados de realizar las tareas necesarias para el mantenimiento y correcto funcionamiento de la nave. Hay una serie de funciones básicas que todas las sondas espaciales deben hacer, independientemente de su propósito científico. De ellas se encargan los subsistemas básicos, presentes por tanto en todas las sondas, aunque con distinta forma de diseño según las necesidades de la misión y el estado de la tecnología en el momento de su diseño. Estos subsistemas básicos son:
Subsistema estructural
Subsistema de estabilizació n
Subsistema de generación y distribución de energía
Subsistema de equilibrio térmico
Subsistema de propulsión
Subsistema pirotécnico
Subsistema de manejo de datos
Subsistema de telecomunicaciones
Son estos dos últimos los que centrarán nuestra atención, ya que son los más relacionados con las telecomunicaciones.
Toda actividad a bordo es controlada por la computadora central. Este ordenador es responsable de la gestión de toda la actividad de la nave; de controlar el tiempo; interpretar los comandos enviados desde la Tierra; recoger, procesar y dar forma a los datos que serán enviados de vuelta; y por supuesto gestionar la protección de alto nivel contra fallos y rutinas de seguridad. Esta computadora recibe el nombre de subsistema de comandos y datos (command and data subsystem, CDS).
El reloj de la nave (Spacecraft Clock (SCLK), aunque llamado "sclock") es un contador mantenido por el CDS. Mide el paso del tiempo durante la vida de la nave. Prácticamente todos los subsistemas están gobernados por él. Puede ser muy sencillo, incrementando su valor cada cierto tiempo de uno en uno, o mucho más complejo, con varios campos principales y secundarios que controlen las actividades a múltiples niveles. El reloj de la sonda Ulysses incrementa su único campo una vez cada dos segundos; por el contrario, los relojes de Galileo y Magallanes tienen una resolución de cuatro campos.
Un sistema de vuelo no tripulado debe tener la autonomía suficiente para mantener el control a lo largo de toda la vida útil de la nave a tan gran distancia de la Tierra. Aunque los equipos terrenos también monitorizan la nave, las cada vez mayores distancias limitan la capacidad de respuesta de forma manual. Algoritmos de protección contra errores presentes en varios de los subsistemas aseguran la prevención automática de fallos o el restablecimiento de la conexión si por algún motivo ésta es interrumpida. También pueden desconectar o reconfigurar componentes para prevenir daños desde el exterior. Normalmente un pequeño juego de instrucciones se encuentra instalado en ROM, a salvo del peor caso de fallo en la ejecución de programas o caída de la alimentación. Rutinas más complicadas de seguridad (conocidas como modos de contingencia) y de protección de errores residen en RAM, así como parámetros para el uso del código de la ROM, donde pueden ser actualizadas si es necesario en el transcurso de la misión. Un ejemplo de protección común es el Comando de Tiempo Perdido. Es un contador software ejecutándose en el CDS que se resetea a un determinado valor cada vez que recibe un comando desde la Tierra. Si llega a dar un valor negativo se asume que la nave tiene un fallo en la recepción o decodificació n de comandos. La rutina toma acciones pertinentes como conectar el hardware redundante, en un intento por restablecer la recepción de comandos.
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