Tal vez la función más importante de una misión espacial es la capacidad de comunicación de la nave con la tierra. Sin el sistema de comunicaciones, la nave es solo una máquina que vaga por el espacio, sin que tengamos conocimiento de lo que hace, ni forma de controlarla o acceder a la información que genera. El sistema de comunicaciones nos permite transmitir o recibir datos, monitorear la salud de la nave, ejecutar diagnósticos y reconfigurar los sistemas de la nave, entre muchas otras cosas más..

Anteriormente, los requerimientos de los sistemas de comunicaciones de las naves espaciales eran más relajados que en la actualidad, ya que solo se requería de recibir de algunos parámetros sobre el estado de salud de la nave y transmitir órdenes para operarla. Con el avance de los sistemas espaciales, cada día se requiere de la transmisión de volúmenes cada vez más grandes de datos y esto impone un reto a los sistemas de comunicaciones espaciales. Por ejemplo, las transmisiones de video son ahora comunes, y muchas naves espaciales realizan experimentos que recopilan mucha información durante períodos largos, debido en parte a una mayor capacidad de los sistemas de almacenamiento de datos a bordo. Por lo tanto, uno de los mayores retos en las comunicaciones espaciales del futuro es la transmisión de grandes cantidades de datos a tasas de transmisión cada vez más rápidas.

Para darnos cuenta de los retos a los que se enfrentan las comunicaciones espaciales, podemos citar el caso del Mars Reconnaissance Orbiter, MRO, una nave que orbita permanentemente alrededor del planeta Marte y cuenta con una diversidad de instrumentos, entre los que se encuentran una cámara fotográfica de alta resolución denominada High Resolution Imaging Science Experiment o HiRISE. El MRO puede transmitir a una velocidad máxima de  6 Mbits / segundo (aunque esto sólo puede ocurrir durante ocho minutos al día). A esta velocidad, requiere de aproximadamente hora y media para enviar una sola imagen de 28 Gbits del HiRISE.

Es por esto que actualmente hay mucho interés en la comunidad espacial por aumentar la tasa de transmisión de datos de los sistemas de comunicación espaciales, y en particular del enlace descendente, ya que es este enlace el que envía los datos generados por los instrumentos.

De acuerdo a la NASA, la capacidad de comunicación espacial profunda tiene que crecer casi un factor de 10 durante cada una de las próximas tres décadas para hacer frente a los retos de la exploración del espacio profundo, lo cual significa una mejora de 1,000 veces con respecto a la situación actual.

Factores en la comunicación espacial profunda

La mayoría de los sistemas espaciales se ven afectados por factores específicos a las misiones en el espacio profundo, por lo que su diseño tiene que tomarlos en cuenta. Algunos de estos factores son los siguientes:

• Ambiente hostil

Todos sabemos que el ambiente espacial es muy distinto a la tierra. El vacío, los grandes cambios de temperatura que se pueden experimentar en el espacio y el riesgo de recibir radiaciones que pueden afectar al equipo, son solamente algunas de las condiciones que enfrentan los sistemas de comunicaciones espaciales. Por lo tanto para contrarrestarlos se requiere de sistemas de control térmico y protección contra radiaciones que aumentan la complejidad y el peso de la nave espacial y esto puede limitar la capacidad de los sistemas de comunicaciones.

• Limitada potencia de transmisión

La potencia de los sistemas espaciales está limitada por el peso de los sistemas de generación y almacenamiento de energía tales como páneles solares y baterías, por lo que para una misión dada existe un límite práctico en la potencia de transmisión que se puede emplear. No es inusual que las potencias de transmisión de los sistemas de comunicaciones anden en las decenas de watts para transmitir a través de millones de kilómetros, mientras que en los sistemas terrestres se puede llegar sin problemas a los Kilowatts.

• Grandes retrasos de propagación

Las distancias interplanetarias causan retrasos de propagación que no se experimentan en la tierra. Por ejemplo para que las señales lleguen de la Tierra a Marte se requiere del orden de 15 minutos, dependiendo de la posición de Marte respecto a la Tierra. Este retraso hace que los protocolos de comunicaciones no consideren la retransmisión de datos en caso de detectarse errores, como puede suceder en el caso terrestre.

• Baja relación señal a ruido

Este factor se deriva de las limitaciones de potencia y las grandes distancias que tienen que viajar las señales de comunicaciones en el espacio profundo. Una baja relación señal a ruido requiere del desarrollo de receptores más sensibles y de esquemas de codificación de canal más eficientes que permitan la detección y la corrección de errores ya que en general se tendrá una alta corrupción de datos.

Para superar estos problemas y también para proporcionar un alto ancho de banda al mismo tiempo, los investigadores en comunicaciones espaciales están trabajando en las siguientes áreas:

Mejores técnicas de transmisión / recepción (comunicación de radiofrecuencia versus comunicación óptica)

La mayoría de las misiones actuales emplean las bandas de microondas para la comunicación. Sin embargo, en la actualidad se está llegando al límite práctico para aumentar la rapidez de transmisión de datos en esas bandas. Por lo tanto, la tendencia actual es  recurrir a las comunicaciones ópticas ya que éstas tienen grandes ventajas sobre las comunicaciones en la banda de microondas. Las comunicaciones ópticas requieren de componentes más pequeños y por lo tanto menos pesados y, a diferencia de las comunicaciones de microondas, su funcionamiento no interfiere con los otros sistemas electrónicos de la nave; además pueden enfocar la energía con mucho más precisión. Esto disminuye los requerimientos de potencia de sistema de comunicaciones, al contarse con un haz más concentrado y evitar que la mayor parte de la energía emitida por la antena se disperse antes de llegar a la tierra. Esta capacidad de enfoque, es a la vez una desventaja, ya que impone retos a los sistemas de orientación y apuntamiento de las antenas de la nave espacial, dado que la precisión del apuntamiento debe aumentarse considerablemente con respecto a los sistemas actuales; por lo que un pequeño error en la capacidad de apuntar a la tierra puede evitar que la señal llegue al receptor.

Para ilustrar lo anterior podemos ver la siguiente figura en donde se muestra el haz de una señal de radio enviada de la Luna a la Tierra en comparación con el haz generado por un sistema de comunicación óptica. El haz de la señal de radio ocupa casi toda el área de los Estados Unidos, por lo que su señal puede ser captada en cualquier lugar donde haya un receptor adecuado. El haz de la señal óptica tiene solo 6 Km de radio, por lo que los requerimientos de apuntamiento y estabilización de la antena transmisora son muy demandantes.

Figura 1. Comparación del haz de una señal de radio frecuencia enviada de la Luna a Tierra con el haz de una señal óptica. El diámetro de la huella de señal óptica es de aproximadamente 6 Km.

A pesar de este requerimiento de mayor precisión del apuntamiento, las comunicaciones ópticas tienen grandes ventajas sobre las comunicaciones de radiofrecuencia para la aplicaciones espaciales, ya que proporcionan un mayor ancho de banda, un espectro libre de licencias y menores requerimientos de potencia y masa.

Codificación de canal eficiente

La codificación de canal se ocupa de las técnicas de control de errores. Mediante codificación adecuada de los datos se puede reducir la tasa de errores considerablemente, aún cuando los datos recibidos estén por debajo del nivel del ruido. La codificación de canal es una técnica que agrega datos redundantes a la información transmitida con el objeto de recuperar los información original una vez que se recibe en Tierra a pesar de la corrupción de la señal. La codificación de canal permite aumentar la rapidez de transferencia de información a una tasa de error fija, o reducir la tasa de error para una rapidez de transferencia dada.

Algunos de los temas de actualidad en las técnicas de codificación de canales son los códigos turbo y la verificación de paridad de baja densidad (LDPC).

Codificación de fuente eficiente

La codificación de la fuente consiste en reducir la cantidad de datos a transmitir a partir de utilizar técnicas de compresión. Estas técnicas se basan en la redundancia de información enviada y relajan los requerimientos de ancho de banda de transmisión. Una vez recibidos, los datos son descomprimidos en Tierra para recuperar la versión sin comprimir.

Desarrollo de radios definidos por software

La tecnología de radios definidos por software (SDR por sus siglas en inglés) permite el desarrollo de radios reconfigurables en el que algunas o todas de sus funcionalidades se implementan a través de software. Esta tecnología se creó a finales del siglo pasado como una respuesta a la necesidad de contar con radios más flexibles y adaptables y sin duda será un dominante en los sistemas de comunicaciones espaciales futuros.

México puede contribuir

La gran demanda de ancho de banda de las aplicaciones espaciales se traduce en nuevos retos para los futuros sistemas de comunicaciones espaciales. Estos retos se pueden convertir en un nicho de oportunidad para países como México que cuentan con talento humano especializado de gran calidad en algunas de las áreas que se requieren desarrollar. Todo es cuestión de enfocar los esfuerzos en las especialidades en las que se tienen más fortalezas para empezar a generar las soluciones que requieren las comunicaciones espaciales del futuro.