Las operaciones espaciales son las acciones que se realizan para mantener una misión espacial. Si consideramos al lanzamiento de la nave espacial como una categoría aparte dada su complejidad, las operaciones espaciales se refieren, entre otras cosas, a lo siguiente:

• · Verificación y mantenimiento de la salud de la nave espacial.
• · Colocación de la nave en su órbita de trabajo.
• · Envío de instrucciones y reconfiguración de la nave espacial.
• · Control y mantenimiento de la órbita
• · Recolección de datos de la misión.
• · Detección, identificación y solución de anomalías.

Por ejemplo, el mantenimiento de la órbita de un satélite geoestacionario de comunicaciones es una operación muy importante para garantizar la calidad del servicio y la ausencia de interferencia a las comunicaciones de los satélites cercanos. Esta operación consiste en garantizar que el satélite se encuentre dentro de un cubo de 70km de lado con respecto a su posición orbital nominal. Cuando es necesario, los operadores en el centro de control en la Tierra, activan impulsores en el satélite que corrigen su posición.

De manera muy general, las operaciones espaciales se realizan a través de las siguientes tres funciones: monitoreo de la telemetría, rastreo de la nave espacial y envío de instrucciones. Estas funciones se llevan a cabo a través de sistemas de comunicaciones que emplean diferentes bandas del espectro electromagnético y cuyas características dependen de muchos factores como la órbita de la nave espacial, las tasas de datos requeridas y la sensibilidad de los receptores en Tierra, entre muchas otras.

Las operaciones espaciales son una parte fundamental de una misión y deben ser planeadas con cuidado. Tradicionalmente, la mayoría de las operaciones espaciales se han realizado de forma manual por equipos de seres humanos, en la ya típica imagen de los centros de control con decenas de operadores al pendiente de monitores y trabajando las 24 horas del día, los 365 días del año. La Fig. 1 muestra un centro de control de operaciones de la Agencia Espacial Europea.

Fig. 1 Ejemplo de un centro de control de operaciones espaciales. Cortesía ESA.

Nuevas tendencias

Sin embargo, con el surgimiento de misiones que emplean muchos satélites de manera coordinada, como es el caso de los vuelos en formación y las constelaciones, las operaciones espaciales pueden llegar a ser muy complejas y requieren de un cambio de paradigma para su coordinación, ya que no sería posible hacerlo eficazmente a través de operación manual. De hecho, las constelaciones de satélites han hecho surgir nuevos tipos de operaciones espaciales como la coordinación de las órbitas y el reemplazo programado de satélites, entre otras.

Un ejemplo típico de una constelación de satélites y la complejidad que implica es el proyecto de la empresa OneWeb. Esta empresa pretende dar servicio de comunicaciones de banda ancha a todo el mundo a través de un sistema de cerca de mil satélites que operarán de manera coordinada. El siguiente video es una animación de la configuración de esta constelación.

https://www.youtube.com/watch?v=ZjpopfVJf1c

Con tal grado de complejidad, las constelaciones de satélites requieren que cada una de las naves sea capaz de tomar decisiones autónomas y de sistemas automatizados en Tierra que simplifiquen y hagan segura su operación. Asimismo, también pueden requerir de enlaces de comunicaciones de alta capacidad entre las naves que aseguren su coordinación.

Un ejemplo de las nuevas tendencias en las operaciones espaciales nos lo da la empresa Planet https://www.planet.com/. Con una constelación de casi 200 nanosatélites de observación de la Tierra, Planet controla su flota con solo tres personas. Esto se debe al empeño de Planet por automatizar sus operaciones y por mantenerlas simples. Cuando cada nave espacial pasa sobre una superficie continental durante el día toma imágenes y cuando pasa sobre el área de influencia de una estación terrena, las descarga. Así de simple. El resto del tiempo, la nave espacial está inactiva recargando sus baterías y volando en una configuración que usa el arrastre atmosférico para mantener la misma distancia entre cada nanosatélite de un plano orbital.

Otra operación que Planet ha decidido automatizar, es la recolección de datos. Dado que la constelación genera del orden de 5 Terabytes al día, sería muy costoso e ineficaz realizar la recolección de datos de manera manual. Con una tasa de transmisión del orden de 200 Mbps, cada vez que un satélite de la constelación pasa por una estación de terrena, la estación que recibe los datos cuenta con una estimación del número de datos que cada satélite debe descargar. Cuando la cantidad de datos que recibe la estación es menor al 80% del estimado, se asume que hubo errores considerables, los datos se descartan, y se da la instrucción para que sean descargados en la siguiente estación. Una vez que se reciben los datos, éstos se procesan de manera automática para hacerles correcciones como la ortorectificación que toma en cuenta la curvatura de la Tierra, así como otros ajustes, para luego ensamblarlos en un mosaico y subirlos a una plataforma web que los pone a disposición de los usuarios.

En el pasado, el paradigma de las operaciones espaciales era mantener los sistemas de la nave lo más simple posibles y pasar la complejidad a los sistemas en Tierra. Esto con el objeto de disminuir al máximo los riesgos de la misión, ya que en caso de que un sistema en la nave espacial llegara a fallar sería imposible repararlo. Ahora la situación es diferente, dado que las tecnologías de información han alcanzado un grado elevado de madurez y confiabilidad. Es por esto que conforme la complejidad de las operaciones espaciales aumenta, la necesidad de incorporar nuevas tecnologías a bordo es inminente. La autonomía de las naves será primordial, lo que requerirá del uso de técnicas de inteligencia artificial para lograrla, así como incorporar mayor capacidad de procesamiento de las computadoras a bordo y el empleo de sistemas redundantes para garantizar una operación tolerante a fallas. Asimismo, se requerirán de nuevos protocolos de comunicaciones para garantizar la integridad de los enlaces de alta velocidad, uso de técnicas de acoplamiento de nanosatélites, y generación de estrategias de vuelo coordinado en constelaciones y formaciones de grandes cantidades de naves espaciales, entre otras.

Todo lo anterior requerirá de nuevas investigaciones y desarrollos en los que México puede participar y contribuir, lo que representa otra oportunidad para que nuestro país destaque y se convierta en un actor importante en el ámbito espacial.