Diez puñeteros metros (y III)

La New Horizons durante su fabricación. (Fuente: NASA.)
La New Horizons durante su fabricación. (Fuente: NASA.)

Es verdad que en el espacio nadie puede oíros gritar —salvo quizá si usáis más potencia de la presupuestada inicialmente. En la Tierra esto daría para un susto en forma de factura desbocada de la compañía eléctrica; allí arriba supone, literalmente, quedarse tieso. Supongamos que ponemos la New Horizons a transmitir en «modo dual», es decir,con los dos amplificadores a la vez. En origen los dos amplificadores iban a servir exclusivamente como respaldo el uno del otro, pero gracias a un detalle técnico —ambos transmiten con polarización circular, pero en sentidos opuestos— pudo reprogramarse la nave tras su despegue para usar ambos a la vez, consiguiendo así no solo más potencia, sino una mejor capacidad del canal de transmisión. 1,9 veces más bits por segundo, en resumidas cuentas, para un total de alrededor de un kilobit por segundo a la distancia de Plutón.

Los dos TWTAs (amplificadores de tubo de onda progresiva) de la New Horizons funcionando a la vez consumen 24 W en origen. Para poder dedicar 24 W al sistema de comunicaciones, la nave, que dispone de alrededor de 200 W proporcionados por su generador térmico de radioisótopos (RTG) tiene que apagar el sistema de guía. No queremos que pierda el control de posición, así que antes de entrar en ese modo especial tiene que pasar de estar orientada en tres ejes a estabilizarse girando respecto del eje de la antena principal. Girando a cinco revoluciones por minuto con la antena apuntada a la Tierra no se pueden sacar fotos, y para empezar a girar (o dejar de hacerlo) hay que gastar combustible. Así que, muy literalmente, la mejora en la tasa de transmisión no sale gratis. El espacio es duro.

Volviendo a la cuestión de la transmisión: supongamos los amplificadores rinden muy, muy bien y que emiten, milivatio arriba o abajo, esos 24 W de potencia. Los pasamos a decibelios, sumamos las ganancias y restamos las atenuaciones, pasamos de vuelta a vatios el resultado y obtenemos algo menos de 12 attovatios (un attovatio son cero coma cero-cero-cero-… 10-18 W, que termino antes). Y sin embargo funciona: dadle las gracias a los ingenieros que diseñaron, presupuestaron, construyeron, calibraron, y apuntan y mantienen las antenas todos los días.

El enlace contrario, de acá-para-allá (uplink, definitivamente los anglos se dan más pisto con los nombres) es algo más favorable porque las antenas del DSN tienen el lujo de poder transmitir con muchísima más potencia: hasta 400 kW si se ponen a gritar todo lo que pueden. Las mismas cuentas, hechas al revés, nos permiten deducir que la New Horizons podría llegar a recibir unos lustrosos 0,2 picovatios (casi, casi; el picovatio tiene solo doce ceros). Sin embargo, el subsistema de comunicaciones de la New Horizons está diseñado para recibir señales hasta cinco órdenes de magnitud menos potentes para tener en cuenta menores potencias disponibles y mayores pérdidas de transmisión a mayores distancias que la de Plutón.

Pues bien: el ranging convencional requiere que una señal salga de una antena en la Tierra, llegue a la nave en el quinto infierno (algo bastante literal, teniendo en cuenta que Plutón tomó su nombre del dios del inframundo) y ésta la devuelva, tras pasar por su amplificador, al origen. Un camino de transmisión uplink-downlink encadenado deja el tono de medida hecho unos zorros, atenuado hasta la extenuación y prácticamente irreconocible. Con una nave camino de Marte el asunto puede funcionar. La Cassini en órbita de Saturno está, hoy, a 9,6632 unidades astronómicas y su distancia a la Tierra está muy bien determinada. Para Plutón, 3,3 veces más lejos, la cosa estaba mucho menos clara. Por ello, los diseñadores de la New Horizons instalaron en ella el primer sistema jamás utilizado de ranging regenerativo.

El invento del ranging regenerativo parece, como todas las buenas ideas, obvio a primera vista. La New Horizons recibe el tono de medida, deduce qué forma tenía originalmente y lo vuelve a producir para emitirlo de vuelta a la Tierra. Esto es fácil de decir, pero no tanto de hacer: para ello, emplea un circuito que detecta la oscilación comparando la señal recibida consigo misma, pero retrasada (técnicamente, un bucle de enganche de retardo, o delay-locked loop, DLL). Esto se hace con un solo chip FPGA —de lógica programable— para minimizar el consumo energético; el resultado es que la señal original tarda en adquirirse hasta media hora en condiciones adversas de ruido, aunque el sistema tiene un ancho de banda regulable entre tan solo un hercio y ¡0,25 Hz! Para poder comparar: un transpondedor de ranging convencional puede tener un ancho de banda de 1 MHz. Con un «ancho» tan estrecho la única señal que puede pasar es el propio tono de medida, eliminando la totalidad del ruido del enlace de ida.

Oscilador ultraestable (USO) de la New Horizons. (Fuente: [1].)
Oscilador ultraestable (USO) de la New Horizons. (Fuente: [1].)

Nada de esto sería posible sin un humilde componente (en realidad, dos humildes componentes, por aquello de la redundancia y la fiabilidad) de la New Horizons. El oscilador ultraestable (Ultra-Stable Oscillator, o USO) proporciona una señal de referencia que no solo se usa en el subsistema de ranging regenerativo, sino también a lo largo de la nave donde quiera que se necesite una señal de reloj. Cada USO genera una señal con una frecuencia de 30 MHz extremadamente precisa: la desviación medida a corto plazo (10 s) es menor de una parte en diez billones ¡de los grandes! No solo eso: cada USO es increíblemente estable en su rango de temperaturas operativas: menos de una billonésima por grado Celsius entre –25 y 65 °C —la temperatura es mantenida, como para el resto de instrumentos de la nave, con el calor residual del RTG (generador termoeléctrico de radioisótopos). Y, de regalo, consumen menos de 3,5 vatios.

Error de medición de distancia frente a la potencia de entrada en la nave New Horizons para tres anchos de banda del DLL (en verde, 1 Hz). (Fuente: [2].)
Error de medición de distancia frente a la potencia de entrada en la nave New Horizons para tres anchos de banda del DLL (en verde, 1 Hz). (Fuente: [2].)

Y ¿cuál es la consecuencia de toda esta precisión tecnológica? La New Horizons puede determinar su distancia a la Tierra, estando en las inmediaciones de Plutón y para condiciones normales de propagación de las señales, con una precisión menor de ¡diez centímetros! para un intervalo de confianza de un sigma (68 %). En el peor de los casos, con la nave en plena misión secundaria, realizando el sobrevuelo de algún objeto del cinturón de Kuiper mucho más allá de la órbita de Plutón —todavía por determinar, pero alejado hasta 50 unidades astronómicas de la Tierra— la determinación de la distancia podrá hacerse con una precisión de diez metros.

Diez puñeteros metros de precisión a casi 7.500 millones de kilómetros de la Tierra. Definitivamente: sí, vivimos tiempos maravillosos.

Bibliografía

[1] The RF Telecommunications System for the New Horizons Mission to Pluto, C. C. DeBoy, C. B. Haskins, T. A. Brown, R. C. Schulze, M. A. Bernacik, J. R. Jensen, W. Millard, D. J. Duven, S. Hill, IEEEAC paper #1369, versión 4, 22/12/2003, http://www.boulder.swri.edu/~tcase/NH%20RF%20Telecom%20Sys%20ID1369%20FINAL_Deboy.pdf (recuperado el 4/08/2015).

[2] A Regenerative Pseudonoise Range Tracking System for the New Horizons Spacecraft, R. J. DeBolt, D. J. Duven, C. B. Haskins, C. C. DeBoy, T. W. LeFevere, The John Hopkins University Applied Physics Laboratory, http://www.boulder.swri.edu/~tcase/NH%20Regenerative%20PN%20Ranging%20Paper_Haskins.pdf (recuperado el 4/08/2015).

[3] New Horizons Spacecraft Overview — Mission Section, Instrument Overview, Spaceflight 101, http://www.spaceflight101.com/new-horizons-spacecraft.html (recuperado el 4/08/2015).

[4] Talking to Pluto is hard! Why it takes so long to get data back from New Horizons, Emily Lakdawalla, The Planetary Society, 30/01/2015, http://www.planetary.org/blogs/emily-lakdawalla/2015/01300800-talking-to-pluto-is-hard.html (recuperado el 4/08/2015).


6 Comentarios

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Orbatos

Tanto despliegue de impresionante tecnología, para que luego en casa el GPS nos diga “gire a la derecha”

Y a la derecha no hay ninguna calle, para llorar XD

SIGRESMANSIGRESMAN

Gracias por la serie, con estos calores siempre apetece leer algo refrescante. Aunque sea Físico. :)

krollspellkrollspell

Un detalle adicional: todo esto con hardware de hace más de diez años.

oscaroscar

algunos mas. diez al lanzamiento, más 2 o 3 en construcción, más 2 o 3 en diseño.

GuillermoGuillermo

Estupenda serie, por fin me queda claro porque un aparato ta sofisticado trasmite a la cienmilésima la tasa de trasmisión de mi tfno de 100 euros.

Carlos TCarlos T

Como radioaficionado acostumbrado a extraer una señal del ruido, y últimamente intentar escuchar a los satelites nuestros; me maravilla como estos ingenieros se las arreglan para a 7.500 millones de km acertar a tan solo 10 m. Es un prodigio de la tecnica.
Gracias por tus acartadas y claras explicaciones.
73 (= saludos) de EA3HAH

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