La noticia de la semana es que Rosetta ha despertado. Esta sonda enviada por la E.S.A. pretende orbitar y hacer aterrizar otra pequeña sonda que la acompaña en un cometa. Algo que parece ciencia ficción. Mucho se estuvo hablando sobre la comunicación con Rosetta una vez despierta después de 31 meses en «stand-by».
Prácticamente ya se ha dicho todo, basta con consultar, cómo no, a nuestro divulgador astronómico de cabecera Daniel Marín y su fantástica entrada «Rosetta se ha despertado: historia de un explorador de cometas«. En esta entrada se hace un resumen de la misión y unos cuantos apuntes técnicos sobre los instrumentos de abordo. Pero a mí me ha llamado mucho la atención el hecho de que las maniobras para ponerse en orbita alrededor del cometa vayan a ser autónomas. Y me gustaría saber qué instrumento permite la orientación de la sonda, y cómo lo hace. Resulta que la navegación autónoma se realiza cómo los antiguos marineros, guiandose por las estrellas, con la ventaja de que en el espacio no se nubla nunca, o casi nunca.
Pero antes os dejaré con una animación de los hitos conseguidos hasta ahora por la misión en forma de cuento para niños.
Que la maniobra para ponerse en orbita sea autónoma es obligado debido al retraso en las comunicaciones entre la sonda y un posible guiado desde tierra. El sistema de navegación de la sonda es el mismo que el utilizado en la Mars Express, con lo que ya ha probado su eficacia, en el caso de Rosetta está constituido por dos sistemas ópticos de navegación. Se utilizan dos sistemas independientes e idénticos para darle redundancia al sistema, en el espacio y estando tan lejos no te puedes fiar de que te falle uno. Estos sistemas son los llamados NAVCAM. Cómo en este blog nos gusta la tecnología, la electrónica e intentar saber un poco cómo funcionan las cosas, intentaré dar algunos detalles más de este sistema.
La nave ha estado hibernando 31 meses durante los cuales ha estado girando para mantener la estabilidad de su orbita, pero sin control (todos los sistemas estaban apagados). Una vez despierta tiene que volver a orientarse y localizarse en el espacio para esto el sistema utilizado es muy curioso, o al menos a mí me lo parece. La sonda toma imágenes de las estrellas que tiene a la vista y compara con un mapa del cielo buscando cual es la dirección que lleva, y corrigiendo la dirección en caso necesario. Pero ¿cómo se hace esto? intentaré contaros lo que he podido averiguar.
Sistema NAVCAM
Sistema NAVCAM
Este sistema es el usado para la navegación y consta de tres partes básicas, la óptica, la unidad de electrónica o de proceso y la fuente de alimentación (DC/DC) utilizada para alimentar correctamente el sistema desde la tensión proporcionada por los paneles solares.
Óptica
La mayor particularidad del sistema óptico viene de todas las precauciones que hay que tener para su correcto anclaje y protección térmica, para ello utilizaron toda la experiencia adquirida con la sonda CASSINI. Los elementos ópticos se anclan en una monturas de aleación de titanio para que las contracciones y dilataciones debidas a los cambios de temperatura sean los mismos en el soporte que en los cristales de la óptica, de otra forma el estrés térmico podría acabar rompiendo los cristales.
La óptica consiste en un objetivo de 46mm de distancia focal, con una apertura de 1.5f. Se utiliza una estructura «Doble-Gauss» como las utilizadas en las cámaras comerciales. En el caso de Rosetta, las lentes están construidas con cristales resistentes a la radiación, este sistema nos permite controlar y corregir las posibles aberraciones cromáticas que nos permitirán mejorar la precisión a la hora de localizar las estrellas. Los posibles cambios en la focal debido a la temperatura están controlados y calibrados utilizando un sensor de temperatura incrustado en la montura. Como veis hay que tener muchas cosas en cuenta que aquí en la Tierra no prestamos atención.
También es importante en este sistema lo que los fotógrafos llaman parasol, que en este caso también es «para-Tierra» o «para-Marte». Es decir unos paneles adjuntos a las lentes para bloquear el paso de la luz del sol o la luz reflejada por la Tierra o Marte que podría cegar el sistema de navegación. Garantiza que bloquea la luz del Sol en un ángulo de 45º con respecto a este y la luz de la Tierra o Marte en unos 30º. Este dispositivo ha sido contruido por una empresa española (SENER).
Unidad Electrónica
La unidad electrónica presenta algunas sorpresas. Se podría pensar que dado que es el sistema de navegación es fundamental para el éxito de la misión, el dispositivo CCD será de una altísima resolución con un buen puñado de millones de píxeles. Curiosamente esto no es así. El dispositivo CCD es una matriz de 1024×1024 píxeles es decir solamente 1Megapíxel de resolución, además el tamaño de los píxeles es de 13×13 micras, dando un área de 169 micras cuadradas, es decir, los píxeles son muy grandes si los comparamos con el tamaño de los píxeles de las cámaras convencionales.
| Camera | Sensor size | Megapixels | Pixel area (µm2) | Pixel density (MP/cm2) |
|---|---|---|---|---|
| Nikon D700 | 36 x 24 mm CMOS sensor | 12.9MP | 67.0 | 1.5 |
| Nikon D3 | 36 x 24 mm CMOS sensor | 12.9MP | 67.0 | 1.5 |
| Nikon D70 | 23.7 x 15.6 mm CCD sensor | 6.3MP | 58.7 | 1.7 |
| Nikon D40 | 23.7 x 15.5 mm CCD sensor | 6.3MP | 58.7 | 1.7 |
| Canon EOS 350D / Digital Rebel XT | 22.2 x 14.8 mm CMOS sensor | 8.2MP | 40.1 | 2.5 |
| Nikon D60 | 23.6 x 15.8 mm CCD sensor | 10.8 MP | 34.6 | 2.9 |
| Nikon D80 | 23.6 x 15.6 mm CCD sensor | 10.8MP | 34.5 | 2.9 |
| Nikon D40X | 23.6 x 15.6 mm CCD sensor | 10.8MP | 34.5 | 2.9 |
| Canon EOS 400D / Digital Rebel XTi | 22.2 x 14.8 mm CMOS sensor | 10.5MP | 31.3 | 3.2 |
| Canon EOS 40D | 22.2 x 14.8 mm | 10.5MP | 31.3 | 3.2 |
| Nikon D90 | 23.6 x 15.8 mm CMOS sensor | 12.9MP | 28.9 | 3.5 |
| Canon EOS 500D / Digital Rebel Ti1 | 22.3 x 14.9 mm CMOS sensor | 15.1 MP | 22.0 | 4.5 |
| Canon EOS 7D | 22.3 x 14.9 mm CMOS sensor | 18 MP | 18.5 | 5.4 |
La tabla anterior ha sido extraída de Sensor Pixel Size as a Determinant of Digital Camera Image Quality. El tamaño del píxel es grande para reducir el ruido y además permite una mayor capacidad de almacenamiento de luz con lo que aumenta también el rango dinámico del sensor. El número de píxeles veremos que es más que suficiente y además dependiendo del modo de operación no se utiliza toda la superficie, ya que serían muchos datos a tratar.
El componente principal de proceso, es un DSP (Digital Signal Processor) o procesador digital de señales DSP21020 de Atmel. Toda la tarjeta está fabricada por una empresa española llamada CRISA. El DSP21020 de Atmel es una versión con protección contra la radiación de un DSP de Analog Devices, en el post sobre el Curiosity ya vimos lo que supone estar protegido contra la radiación, en este post me gustaría dar unas pinceladas de porqué se utiliza un DSP y las diferencias con una CPU, digamos, «normal».
Un «Digital Signal Processor» o DSP, como su nombre indica, es un dispositivo que hará de núcleo de procesamiento, pero con unas características especiales que le hacen idóneo para el tratamiento digital de señales, es decir, para ejecutar algoritmos que se utilizan normalmente en este ámbito de la ciencia, como transformadas de fourier discretas, correlaciones, convoluciones, etc. No es necesario saber los entresijos de estas funciones, pero si saber que para calcularlas se necesita hacer muchas multiplicaciones de dos números mientras se va sumando el resultado en otra variable. Pues bien, aquí es donde los DSP ofrecen una ventaja clara, estos procesadores son capaces de realizar la operación de multiplicar dos números y sumarlos a un registro en un solo ciclo de computador. Y son capaces de esto ya que no siguen la estructura Von Neumann utilizada normalmente por los procesadores. Los DSP utilizan arquitectura Harvard que es capaz de acceder a la memoria de datos y memoria de programa en el mismo ciclo.
Se necesitan estás cualidades que nos ofrecen los DSP por la forma de navegar.
Navegando como los marineros
Los antiguos marineros navegaban guiándose con las estrellas, localizando la estrella polar que conseguían situar en el cielo gracias al reconocimiento de ciertos patrones que conocemos como constelaciones. Básicamente esto es lo que hace nuestra protagonista, solo que esta vez no sigue la estrella polar, si no que seguirá la posición de una estrella que le lleve a su destino, o las que sean necesarias para realizar las maniobras.
Para esto tiene cargado un catálogo de estrellas basado en el catálogo Hipparcos, que es uno de lo más precisos y actualizados. Lo que se ha realizado es una adaptación de este catálogo teniendo en cuenta la posición de las estrellas y las características del sistema NAVCAM. De esta forma si dos estrellas se hayan muy juntas para que el sistema las detecte por separado, se cuentan como una estrella con la magnitud resultante que mediría el sistema. De esta forma solo serán necesarias las estrellas que sean distinguibles por el sistema, y con las magnitudes que se vayan a utilizar para discriminar correctamente la posición.
El catálogo contiene 3902 entradas útiles para la navegación. Además de las posiciones tiene una base de datos de patrones, con la correspondiente posición en el sistema de referencia. De esta forma puede detectar la posición identificando los patrones que encuentre en su campo de visión.
Una vez despertada lo primero que hizo fue entrar en modo «lost in space», es decir, cuando no sabe donde se encuentra. El sistema realiza una operación de Adquisición Autónoma y Control de Inclinación Gruesa (AA&CAD Autonomous Acquisition and Coarse Attitude Determination). El sistema intenta situarse en el espacio, mediante la adquisición de un frame completo (los 1024×1024 píxeles) y se busca el patrón que pueda coincidir para situarse en el espacio. Una forma rápida de buscar estos patrones es realizar una correlación entre la imagen capturada y tratada (umbralizada para quedarnos con las estrellas de cierto brillo, y calculadas las distancias relativas y posibles triangulaciones) y la base de datos contenida en el catálogo.
Detección de Estrellas
Una vez realizado este paso se accede al modo Rastreo autónomo y determinación fina de inclinación (AT&FAD Autonomous Tracking and Fine Attitude Determination), en este modo ya no se utilizan más de 9 estrellas en el entorno de la inclinación necesaria, con lo que se reduce el número de datos necesarios para realizar las correcciones, reduciendo el tamaño de la imagen necesaria. Este proceso se puede hacer hasta 2.5 veces por segundo. La selección de estrellas está determinada por la magnitud apreciada por la sonda, y contrastada con el catálogo.
Esto de guiarse con las estrellas es una ventaja en el espacio porque nunca estará nublado, aunque Rosetta tiene un algoritmo que le permitirá seguir posicionándose aunque haya ruido, o lo que llaman falsas estrellas, que puede se produzcan cuando esté cerca del cometa por los posibles desprendimiento o polvo que pueda tener a su alrededor, aunque sobre el funcionamiento de este algoritmo no he encontrado información ;-(.
Yo no sé a vosotros pero a mí me ha parecido interesante algunos de los detalles de esta sonda.
¿Nos seguimos leyendo?
Referencias:
Marco Buemi, Andrea Landi, Dorico Procopio, «Autonomous star tracker for Rosetta»
Mathias Lauer, Sabine Kielbassa, Ulrich Herfor, «Assessment of AOCS in-orbit performance for Mars Express and Rosetta»
http://pdssbn.astro.umd.edu/review/rosetta201204/presentations/msk-navcam.pdf
http://www.infosondas.com/2013/11/pdf-navcam-rosetta-galileo-avionica/
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