El reciente acercamiento de la nave New Horizons a los límites del sistema solar que nos ha traído impresionantes imágenes de Plutón y sus satélites es un ejemplo de la maravilla que son las comunicaciones espaciales. Las señales que transmitió el New Horizons tuvieron que viajar cientos de millones de kilómetros a través del espacio y atravesar la atmósfera terrestre para ser recibidas en la tierra. Los datos que nos envió el New Horizons son imágenes de alta resolución que llegan a nosotros con una perfecta definición. Todo esto constituye un milagro tecnológico que es tan o más impresionante que la misión en sí. ¿Pero cómo es que logramos todo esto? ¿Qué hay detrás de los sistemas de comunicaciones de espacio profundo que permiten la transmisión y recepción de información desde tan largas distancias y con tan buena fidelidad?
En el principio fue Shanon
Toda la maravilla de las comunicaciones de espacio profundo está fundamentada en los trabajos del matemático Claude Shannon quien creó el campo de la Teoría de la Información. Shannon, en su artículo de 1948 [1], dio una prueba matemática de todos los canales de comunicación se pueden caracterizar por un solo parámetro C, la capacidad del canal. Este parámetro, define la máxima rapidez de transmisión de información (medida tal vez en bits por segundo) que puede ser transmitida de manera confiable - es decir, sin errores- a través de un canal.
La capacidad del canal, es entonces el límite máximo de la rapidez con la que podemos transmitir información a través del canal y depende básicamente de dos factores: el ancho de banda del canal y el ruido en el canal. El ancho de banda está dado por la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja que es capaz de transmitir el canal, mientras que el ruido se refiere a las perturbaciones pueden modificar los datos en su tránsito a través del canal. Shanon encontró que un mayor ancho de banda aumenta la capacidad del canal y una gran existencia de ruido disminuye su capacidad, y definió la capacidad del canal según la fórmula:
C= B log2(1+ S/N)
Donde B es el ancho de banda del canal y S/N es la relación señal a ruido existente en el canal, es decir el cociente entre la amplitud de la señal y el ruido existente en el canal.
Esta expresión representa la máxima velocidad de transmisión de información que es posible lograr de manera confiable a través de un canal determinado, pero no nos dice cómo lograr este límite. En general, el alcanzar este límite depende del tipo de codificación que se use para transmitir la información. Es decir, la forma que escojamos para representar la información determinará la eficacia de la transmisión de la información en términos a su inmunidad ser cambiada por el ruido existente en el canal. Esta inmunidad al ruido se obtiene añadiendo redundancia a la información que se transmite a través del canal a la hora de codificarla. Esto quiere decir que existen códigos más eficaces que otros en términos a su resistencia a ser modificados por el ruido.
La codificación de canal es una tecnología utilizada en las comunicaciones digitales que asegura que se recibe una transmisión con un mínimo de errores o, en el mejor de los casos, sin errores. Existen distintos métodos de codificación pero todos funcionan de manera similar bajo el principio de hilvanar información adicional en la transmisión que permita al receptor validar la información recibida, detectar errores y, si es posible, con la información recibida, corregirlos, o bien solicitar su retransmisión.
Así, el primer paso para lograr comunicaciones confiables en el espacio profundo es utilizar códigos que nos permitan recuperar la información en las condiciones que llega desde el espacio exterior.
Sin embargo, una buena codificación no lo es todo. Para apoyar la transmisión y recepción de señales, se requiere de una gran infraestructura terrestre. En los Estados Unidos, esta infraestructura se llama Deep Space Network (DSN) y está administrada por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA (JPL por sus siglas en inglés). El DSN consta de tres instalaciones de transmisión y recepción: el Complejo Goldstone de Comunicaciones de Espacio Lejano localizado el Barstow, California, el Complejo de Comunicación de Espacio Profundo de Madrid (España), y el Complejo de Comunicaciones de Espacio Profundo de Canberra (Australia).
Estas tres instalaciones están espaciadas entre una y otra aproximadamente 120 grados de longitud en el globo terrestre con el fin de proporcionar una cobertura continua. Las tres cuentan con enormes antenas de alta ganancia y receptores de muy bajo ruido que son capaces de recibir las débiles señales que transmiten las naves espaciales desde el espacio profundo.
Las misiones de espacio profundo generan mucha publicidad debido a las impresionantes imágenes de alta resolución y vídeo que envían. Y como todos sabemos, entre más resolución tengan las imágenes, se producen más y más datos con cada misión, por lo que la red de comunicaciones del espacio profundo continuamente debe ser mejorada para manejarlos.
Para darnos una idea de lo anterior, consideremos al Mars Reconnaissance Orbiter (MRO) quien a partir de 2013 ha enviado unos 25 Tbytes de datos a la Tierra. Sin embargo, la NASA estima que esta cantidad de datos puede aumentar drásticamente y con esto la posibilidad de descargarla a la Tierra. Según JPL, con su tasa de de transmisión de datos de 5.2 Mbs, El MRO necesita 7.5 horas para transmitir los datos científicos almacenados en su grabadora, y 1.5 horas para enviar una sola imagen a la Tierra del Experimento de Imágenes Científicas de Alta Resolución Science (HiRISE por sus siglas en inglés). HiRISE es la mayor cámara que ha sido utilizada en cualquier misión espacial profunda. Esta cámara puede resolver objetos de cerca de 1 pie de tamaño (a 0.3 m / píxel) y ha fotografiado vehículos que han aterrizado en Marte, incluyendo al Curiosity y al Opportunity.
El futuro es óptico
La capacidad del canal de sistemas de comunicaciones del espacio profundo se ha expandido en ocho órdenes de magnitud desde 1960, y la resolución que puede lograrse en el seguimiento de una nave espacial ha sido mejorada por un factor de más de 100. Esto se ha logrado mediante el aumento de la eficiencia y la ganancia de los transmisores y antenas, y la reducción en las pérdidas introducidas por diversos componentes de RF y microondas. Aún con estos avances, el JPL predice que en el futuro habrá la necesidad de hacer una transición de las microondas a las comunicaciones ópticas. Al utilizar el haz estrecho de una frecuencia portadora óptica cerca de 200 THz (1550 nm) para la transmisión, las comunicaciones ópticas tienen el potencial de aumentar la velocidad de datos alcanzable de una nave espacial a distancias planetarias en órdenes de magnitud, utilizando un transceptor óptico de masa y consumo de energía similares a las de un transceptor de 32 GHz (Banda Ka).
El ancho del haz de una señal de comunicaciones de microondas transmitida desde Marte es de 100 a 200 veces el diámetro de la Tierra. Por comparción el de los sistemas de comunicaciones ópticas es de 0.1 a 0.05 del diámetro de nuestro planeta, por lo que es inherentemente más estrecho cuando llega a la Tierra. Al disminuir el ancho del haz, la energía radiada se concentra y eso relaja los requerimientos de transmisión de potencia de la nave espacial. Sin embargo, nada es gratis, ya que con una anchura de haz muy pequeña el rayo láser debe apuntar a un punto con una precisión excepcional.
El futuro está aquí
Si hay algo que se puede decir con certeza sobre el futuro de la exploración espacial, es que cada vez vamos a llegar más lejos de la Tierra. Entre los cientos de desafíos que plantea esta aventura son los relacionados con las comunicaciones. Estos retos requerirán la exploración de nuevos enfoques, tales como el uso de las comunicaciones ópticas en el espacio libre, una mayor compresión de datos y nuevos esquemas de codificación, entre otros. Todos estos retos los afrontarán las generaciones futuras, por lo que debemos seguir preparándonos en ciencia y tecnología para hacer llegar la exploración del espacio a límites ahora inimaginables.
