Voyager 1 ¡Háblame despacio que casi no te oigo!

Recientemente ha aparecido la noticia de que la sonda Voyager 1 ha llegado al espacio interestelar (Como siempre, las noticias vienen de nuestro astro-divulgador de cabecera 🙂 ). Como podéis imaginar, el espacio interestelar está muy lejos, a unas cuantas horas-luz.

Voyager 1. Con sus paneles solares. ¡Oh Wait!

Pero no quería hablar de esto, ya que esto ya se ha tratado en muchos sitios, sino que simplemente, quería llamar la atención sobre cómo es posible que estando tan lejos, sigamos comunicando con ella.

Quiero introducir algunos detalles más “ingenieriles” que me han llamado la atención. Y también destacar, como se ve en la foto anterior, que la Voyager 1 no se alimenta por paneles solares, algo por otra parte lógico, ya que dentro de poco le llegará poca luz del sol ;).

Pero antes de pasar a los detalles que me han llamado la atención solo añadir una cosilla:  ¿Cómo saben que ha salido al espacio interestelar?, pues muy fácil, porque las condiciones externas han cambiado. Y esto ocurrió aproximadamente en agosto del año pasado (2012). Prueba de ello son las siguientes gráficas.

Caída brusca de los iones de baja energía provenientes del Sol. (Fuente Wikipedia)

En la anterior gráfica se puede ver como en agosto de 2012 hay un descenso brusco del número de iones de baja energía que se estaban midiendo hasta la fecha. Pero eso no es todo amigos, pasen a la siguiente gráfica:

Subida más o menos brusca de los iones de alta energía. (Fuente Wikipedia)

En esta segunda gráfica se observa como más o menos por las mismas fechas advertimos un incremento de los iones de alta energía (rayos cósmicos) lo que prueba que la sonda ha salido del nido, ya no está en el medio protegido por la radiación solar. ¡Impresionante! ¿no?

Todo esto gracias a un instrumento que lleva la sonda, y que sigue funcionando 36 años después de su lanzamiento, llamado Cosmic Ray System (CRS).

Pero ahora pasemos a un par de cosas que me han llamado la atención y que quería comentaros.

36 años funcionando. ¿No es mucho tiempo?

Las pilas de la NASA

Como he comentado antes, la Voyager no se alimenta por paneles solares, así que debe llevar unas buenas baterías. Pues tampoco. Las sondas Voyager se alimentan mediante un Generador Termoeléctrico de Radio-isótopos, (RTG- Radioisotope thermoelectric generator). Esta fuente de alimentación se basa en el efecto Seebeck. Este efecto provoca que si tenemos dos uniones entre dos metales con distinta resistencia, y dichas uniones están a distinta temperatura, se produce una diferencia de potencial.

Normalmente este efecto se utiliza para medir temperaturas, como en los termopares, o para enfriar (o calentar) como en las células peltier.

Básicamente lo que se hace es rodear material radiactivo que se calienta por efecto del decaimiento del isótopo, normalmente plutonio-238.

Plutonio-238. Parece caliente ¿verdad? 😉

Este material radioactivo es el que se encarga de calentar una de las uniones del termopar, la otra parte tendrá que refrigerarse, para mantener una diferencia de temperatura elevada.

Este generador tiene una vida muy elevada, ya que el plutonio-238 tiene una vida media de unos 88 años, con lo que aunque la potencia vaya decayendo con el tiempo, se estima que en 2001 la Voyager 1 proporcionaba 315W de los 470W que generaba en el lanzamiento, con lo que aún le queda potencia para un buen rato.

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Actualización del 08/10/2013

Nuestro Astro-divulgador de cabecera explica en este post, ¿Por qué las sondas espaciales usan plutonio? y lo explica magistralmente “as usual”.

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Y estando tan lejos, ¿Cómo es que aún recibimos datos?

Hay que tener en cuenta que es una sonda enviada al espacio en 1977 (y a finales, Septiembre), con lo que la velocidad de transmisión de datos de la que vamos a hablar, es de risa, o escalofriantes, según se mire, porque por ejemplo el Curiosity puede comunicarse directamente con la tierra a unos 32kbits/s, y con la  Mars Reconnaissance Orbiter a unos 2Mbits/s, que no está nada mal, pero muy lejos de las velocidades de comunicación que estamos acostumbrados a escuchar aquí en la tierra.

Pero esto es así por algo. Y es que el espacio exterior es muy duro.

Lo primero que hay que saber es que aquí en la tierra quien se encarga de enviar y recibir señales a las sondas Voyager es la Red del Espacio profundo, o Deep Space Network de la NASA. Esta instalación consta de 3 enormes antenas colocadas en distintos puntos de la tierra. California (E.E.U.U), Madrid (España) y Canberra (Australia). Esta disposición permite un amplio rango de “visión”, con lo que una vez la sonda está a más de 30.000 km de la tierra siempre está a la vista de al menos una de las estaciones.

Cobertura de la Red de Espacio Profundo visto desde el polo Norte.

Cobertura de la Red de Espacio Profundo visto desde el polo Norte. Fuente Wikipedia.

Ya en el momento de diseño se previó el deterioro que iban a sufrir las telecomunicaciones, estimándose un descenso del la velocidad de datos de los 7200bps iniciales a los 40bps que tendrá al final de sus días, actualmente la velocidad de transmisión estará sobre los 600bps o menos.

Estos datos se pueden apreciar en la siguiente tabla donde se estima el tiempo de vida de los componentes esenciales para el funcionamiento del sistema de telecomunicaciones. Solamente aclarar que una parte esencial para el sistema de comunicaciones y que quizá no se tenga en mente, es el combustible (Hydracine) para la alimentación de los cohetes, que permiten a la Voyager alinear su antena en dirección a la Tierra. Ya que si no mal nos íbamos a escuchar.

Tiempo de vida y degradación de la capacidad del canal.

Tiempo de vida y degradación de la capacidad del canal.

Las dificultades que se encuentra la señal en su camino entre la Voyager y la Tierra son debidas a la interacción con el plasma, efectos de los planetas, los efectos que introduce nuestra ionosfera, el efecto doppler que hay que corregir… Vamos que lo raro es que seamos capaces de comunicarnos con una sonda tan lejana.

Pero, si podemos comunicarnos es gracias a que a pesar de todas las dificultades hay algoritmos que nos permiten detectar y corregir errores. En el caso de la Voyager utiliza un código de corrección llamado código binario de Golay. Este código añade un bit de redundancia por cada bit de datos, con lo que se dobla la cantidad de datos a enviar. Este código nos permite corregir 3 bit erróneos y detectar hasta 7 bits erróneos. También se dispuso un hardware experimental para implementar la codificación Reed-Solomon, codificación que reduce el número de bits en un 20% en comparación con la codificación de Golay.

La unión de esa baja velocidad y el código de corrección es el que nos hace posible la comunicación con la sonda en los confines del sistema solar.

Hasta aquí esta pequeña presentación de curiosidades, que al menos yo, no conocía.

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Actualizado: 21/03/2016

A raíz de un comentario en la entrada he encontrado este mini-documental sobre la estación Robledo de Chavela perteneciente a la red de espacio profundo de la NASA, creo que es interesante así que aquí lo tenéis

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¿Nos seguimos leyendo?

@guardiolajavi

 

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Referencias.:

Voyager Telecommunications(PDF)

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37 comments

  1. La Voyager usa Reed Solomon Error Correction. El sistemá más robusto para pérdidas de hasta un 33% del mensaje. De hecho es el mismo sistema empleado en los códigos QR y que permite meter dibujos dentro del código y seguir leyendo el mensaje.

    1. Tienes razón, parece que se usaron tanto el código de Golay como el Reed-Solomon, dependiendo de la fase de la misión. O igual no se fiaban del hardware especifico que montaron para la codificación Reed-Solomon.
      Pero básicamente lo que quería contar era esa necesidad de un algoritmo robusto de corrección de errores. Reed-Solomon además hoy en día está muy extendido y es muy posible que una vez probado el hardware se utilice este por el ahorro que comento en la entrada.

      Gracias por el apunte, este post me lo inspiraste tú ;).

  2. En el año 1986 estuve visitando el centro de NASA en Madrid (Robledo de Chavela) y tuve la suerte de ver en un analizador de espectros la portadora de la señal del Voyager.
    Era impresionante cómo en un pico que apenas se podía distinguir del ruido, eran capaces de. Extraer la señal digital.
    Ya entonces me contaron que estaban recibiendo una velocidad efectiva de información de decenas de bits por segundo.

  3. Enhorabuena por el articulo 🙂

    No sé si sabes el dato, pero la antena de la Voyager I transmite con una potencia de unos 23 W (por supuesto, a la Tierra llega con una potencia muchísmo menor, unos veinte mil millones de veces menor que la de un reloj digital de pulsera). La señal de la Voyager I, al no ser un láser, se expande tanto que, al llegar a la Tierra, la anchura del cono de la señal es del orden de un millar de veces el diámetro de la Tierra.

    Y, bueno, quería comentarte algunas correcciones ortográficas:

    – En español se escribe “hidracina”, no “Hydracine”.

    – Se escribe «km», no «Km». La abreviatura de kilo- se escribe siempre k-.

    – Los meses no se escriben con mayúscula.

  4. Excelente artículo y muy interesante. Siempre me había preguntado como diablos se podía comunicar estando tan lejos. Acabas de echar un rayo de luz a la duda que teníamos más de uno. Mil gracias

    1. Muy buena pregunta, no lo tengo muy claro. Pero en los esquemas aparece un sensor solar justo en el centro de la parábola. Igual apuntando al Sol es suficiente o conociendo ésto y la posición de la sonda desde tierra le dicen cómo orientarse.

      1. Las Voyager se orientan en tres ejes gracias a un sensor solar y a dos sensores estelares que buscan en el cielo la estrella Canopus. Sabiendo la posición del Sol y de Canopus puedes orientarte en 3D. Para maniobrar, usa 16 impulsores de 0,89 newtons de empuje a base de hidrazina.

        Saludos.

    1. Las cámaras de las Voyager se apagó hace tiempo para ahorrar energía de los RTGs. Salvo por la famosa imagen (en realdiad imágeneS) de ‘un punto azul’ de 1990 tomada por la V1, no hay nada que fotografiar en el espacio interestelar, más allá de la negrura que te rodea.

  5. El articulo es muy impreciso y falaz. Reducir el problema de comunicarse a tanta distancia a implementar algoritmos de corrección de errores es simplificar mucho mucho, es simplificar una barbaridad. Como tu dices los detalles técnicos son farragosos… para quien no este familiarizado. Deberias explicar que los algoritmos de correcion de errores son solo una parte de las estrategias y astucias por las que somos capaces de mantener la comunicacion porque tu le das casi el 100% de importancia.
    Lo siento pero el articulo es muy malo

  6. La corrección de errores, aunque ayuda, no es la razón principal por la que nos podemos comunicar con una sonda a tanta distancia. De hecho, esos algoritmos se usan actualmente en todos los sistemas de comunicaciones.

    Para recibir correctamente una señal, es necesario que la energía por bit de los datos después de la antena del receptor esté por encima (unos pocos dB) del fondo de ruido (http://en.wikipedia.org/wiki/Noise_floor). La potencia de la señal recibida, y por tanto la energía por bit, disminuyen con la distancia según las pérdidas por propagación en espacio libre (http://en.wikipedia.org/wiki/Free-space_path_loss). Para conseguir que la energía de la señal esté por encima del fondo de ruido, tenemos las siguientes opciones:
    – Aumentar la potencia transmitida en el emisor (algo que no es posible para el caso de la Voyager)
    – Disminuir el número de bits transmitidos, aunmentando la energía por bit para la misma potencia (de ahí la Tabla 1-1 del artículo)
    – Aumentar la ganacia de las antenas receptores en la tierra. Esta es sin duda la principal razón por la que podemos recibir aún datos de la Voyager, y lo que diferencia a este enlace de los sistemas de counicaciones a los que estamos acostumbrados. Estas antenas son de gran tamaño para aumentar esta ganancia, y así conseguir que la debil señal que nos llega del especio interestelar esté por encima del fondo de ruido.

    1. Tienes razón, correctamente hablando habría que decir que la corrección de errores disminuye el requisito de relación señal-ruido. Y también es cierto que la codificación Reed-Solomon está omnipresente actualmente. Por eso la intención de destacar ese aspecto, quizá más desconocido. Quizá sí haya dado la impresión de que quitaba importancia a las potencia de emisión, y las antenas receptoras.
      También sería interesante saber el dato de retransmisiones necesarios o los errores no corregidos que se están produciendo actualmente.

      Gracias por comentar.

  7. No! No den ideas equivocadas o tan imprecisas!

    Si bien es cierto que todo cuenta para el resultado final; tasa binaria, nada o muy poco tiene que ver los códigos de corrección de errores con la relación señal/ruido.

    Una cosa es conseguir hacer llegar energía de las Voyager a las antenas de la tierra y otra muy distinta es exprimir al máximo esa energia para convertirla en el número maximo de bits.

    Lo segundo se hace en todos los sistemas de comunicacion lleguen al receptor 50mW o 5pW y no depende ni mucho menos solamente del algoritmo de correccion de errores, que no es obligatorio como parece deducirse, depende tambien por ejemplo de la modulacion y de la codificacion por citar dos ejemplos pero posiblemente hay más factores.

    El verdadero reto en este caso es lo primero. No hay precedentes de comunicaciones tan lejanas y las baterias de las voyager son limitadas y no recargables así que para hacer llegar el máximo de esa energia hay que exprimirse los sesos y bien. La directividad de las antenas es critica, por eso las voyager tienen un motor para dirigir la señal a la tierra. Pero las antenas de la tierra tambien tienen motores que mueven las antenas para compensar los movimientos de rotacion y traslacion de la tierra. A esas distancias un error de una décima de segundo de ángulo, y seguro que mucho menos, da al traste con todo. También es critica, aunque de más facil solución, la reducción de ruido en las antenas que se hace enfriándolas con nitrógeno líquido. Las antenas sí se refrigeran y no las baterías de las sondas que en cuanto se alejan de la tierra unos pocos kilometros ya estan suficientemente frías y no digamos cuando se encuentran en los confines del sistema solar.

  8. Los algoritmos de comunicación SI que son determinantes a la hora de tan siquiera intentar transmitir un mensaje.

    Y lo son por varios motivos… pero el primero, es el trabajo matemático que decide si MERECE LA PENA o no INTENTAR dicha transmisión.

    Hay un dato importante en la transmisión a grandes distancia: LA RETRANSMISION NO ES POSIBLE

    Por ello, sin un sistema realmente impresionante de deteccion y correccion de errores, NI TAN SIQUIERA SE INTENTARIA MANDAR LA NAVE.

    Si. Es cierto que el despliegue técnico para enviar, captar la señal, amplificarla, orientar la antena, etc… es increiblemente sofisticado… pero NADA DE ESTO se haría sin la existencia previa de un análisis matemático y unas herramientas de cálculo que hicieran plausible obtener el mensaje.

    Reed Solomon pertenece a una generación de Algoritmos de comunicación “A ERROR CIERTO”.

    ¿Qué significa comunicación “A ERROR CIERTO”? que las duras condiciones del canal indican que no habrá posibilidad de obtener mensajes indemnes.

    Ya no se trata de “detectar” si el mensaje tiene o no error… se trata de que ya sabemos que lo normal es que lo va a tener… y va a tener tal tasa de error que incluso la retransmision de todos los paquetes fallidos solo implicaría estar perdiendo el tiempo.

    Para hacerse una idea:

    Imaginad que una ciudad es una información a enviar (por ejemplo una imagen) y que cada edificio es un bloque de información que se ha de enviar.

    Imaginemos que la ciudad es sometida a un bombardeo intenso.

    Imaginemos que se calcula que NO QUEDA EDIFICIO INTACTO en la ciudad tras el bombardeo…

    ¿Se imaginan la escena dantesca de destrucción?

    Pues así queda un mensaje a error cierto… cuando lo extraordinario es que un bloque de información salga indemne.

    Bien… pueden probar con un código QR e ir rompiendo el código con un bolígrafo… verán lo que es un código robusto.

    También pueden pensar en el ADSL… antes del trabajo matemático tras los sistemas a error cierto, era matemáticamente imposible transmitir con par de cobre semejante flujo de información

    Por tanto (al igual que es determinante en el ADSL y sin esas matemáticas simplemente era impensable) sin REED SOLOMON ni tan siquiera se hubiera planteado mandar a la sonda más allá del sistema solar.

    Luego, claro… hay que intentar que la señal se envíe y llegue lo mejor posible… pero incluso con las mejores técnicas el mensaje está TAN DESTROZADO como esa ciudad que he puesto de ejemplo.

    REED SOLOMON tiene TODO EL MERITO como lo tiene toda la matemática que hay tras los modernos sistemas de comunicación.

    ¿Se imaginan a la Voyager transmitiendo en MORSE? pues no… ni se hubiera intentado mandar en esas condiciones…

  9. Chicos sabéis algo sobre una base de antenas que captan mensaje devuelto por la voayager. Pero no el de youtube, sino el que ello escriben o editan un mensaje compuesto por frases…..

  10. Creo que es interesante comentar que el receptor de la gran antena de Robledo de Chavela tiene un primer amplificador de radio que es un “antiguo” y carísimo maser enfriado con helio liquido, y que actualmente casi el mismo resultado de amplificacion sin ruido se obtiene con un transistor fet phemt tambien enfriado, que vale unos dos euros. En cambio el Voyager creo que tiene un tubo de hondas progresivas e imagino que tambien un maser. Otro comentario: para posicionar los satelites a veces creo que tambien se emplean a modo de tres giroscopos, en que acelerando o frenando una de las ruedas se consigue que el satelite en conjunto gire en direccion contraria, consiguiendo tambien posicionarse. Los que estan en torno de la Tierra a veces tambien recurren al campo magnetico terrestre.

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