Rosetta

Científicos de Relumbrón: Philae

Rizando el rizo, y como la actualidad manda, el científico de esta edición es un robot. Sí, el lander Philae. Si sois de este mundo sabréis que aterrizó en el cometa 67P la semana pasada ¿O fue esta? Han pasado tantas cosas que no lo sé muy bien.

Philae orgulloso sobre 67P

Philae orgulloso sobre 67P

También quería utilizar esta entrada para anunciaros mi estreno en Investigación y Ciencia donde me han permitido escribir en un blog al que he llamado: Tecnología por Sorpresa. En este me estrené con un artículo sobre la exploración espacial. Ya que se levantó la polvareda de la inutilidad del gasto en exploración espacial, como casi siempre en estos casos, me atreví a dar mi opinión. Mi opinión, a favor, se centra en la utilidad que tiene el capital humano que participa en esas misiones. Evidentemente también está la tecnología desarrollada, etc, etc. Pero estos puntos ya los han defendido otros por ahí. Tener profesionales formados en el límite de la tecnología me parece esencial para un país. Por supuesto es un escalón más, el gasto en formación debe empezar desde la educación básica.

Pero sin más os dejo con el pocast, que por cierto esta vez me ha quedado más largo. Este es el problema de haber trabajado sin guión, aunque bueno yo me he echado unas risas. Sí, estoy un poco tonto, me río de mi mismo.

http://www.ivoox.com/cientificos-relumbron-philae_md_3759059_wp_1.mp3″ Ir a descargar
Para más información sobre Philae, Rosetta y demás perlas, hay algunas entradas en este blog, y como no, en el blog del astro-divulgador de cabecera Daniel Marín:

Rosetta está despierta y navegando como los antiguos marineros

Bitácora de Rosetta

Y también dos (bueno tres) vídeos que, al menos a mis nenas, les encantaron:

Y por último un recortable para montar a Rosetta con su Philae incluido (pinchando en la imagen puedes descargarte el PDF)

Recortable Rosetta y Philae

Recortable Rosetta y Philae

¿Nos seguimos leyendo¿ ¿Y escuchando?

@guardiolajavi

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Cuento: Mi hermano mayor

Lo que viene a continuación es una “locura” impulsada por @cuantosycuerdas que no ha tenido otra idea que organizar un certamen de cuentos de ciencia en su blog. Sin duda os animo a visitar la recopilación que está haciendo ya que hay cuentos verdaderamente bien escritos.

Recopilación de contribuciones al I Certamen de cuentos de ciencia.

Lo dicho, os dejo con mi humilde participación:

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Mi hermano mayor

Hacía mucho tiempo que su hermano se había ido, era mayor que él, solo tres minutos, pero siempre había sido “el mayor”. Gemelos univitelinos, dos copias exactas. Una misión de 35 años es demasiado larga, le echaba de menos. Nunca la humanidad se había planteado nada tan ambicioso. Y ahora estaba llegando a su fin.

La misión consistía en ampliar el ya obsoleto catálogo de estrellas obtenido por la misión Gaia hace más de 200 años. Un catálogo que se demostró muy útil. Mil millones de estrellas catalogadas. Es curioso que se necesitase un sensor con mil millones de píxeles para catalogarlas. Un pixel por cada estrella.

Sonda GAIA

Esto nos permitió desarrollar por completo la minería de asteroides, las sondas podían aterrizar automáticamente con mucha mayor precisión de la que ya se consiguió con el catálogo anterior. Acordarse de la misión Rosetta y su impecable funcionamiento con el exiguo catálogo Hipparcos le hizo maravillarse de lo mucho que había avanzado la humanidad.

Su hermano se fue a montar un telescopio similar a Gaia, pero a 10 años luz de la tierra. La humanidad quería ir más allá, en las estrellas más cercanas no encontramos planetas habitables, tenemos que seguir explorando. El punto de Lagrange L2 estaba saturado de sondas. Teníamos que encontrar otro sitio, otra perspectiva desde donde seguir cartografiando nuestra galaxia. Es increíble que solo conozcamos el 1% de esta. Sí, mil millones de estrellas es solo el 1%.

Se mandaron dos sondas gemelas, la tecnología más avanzada que tenemos. Se pretendía escanear la galaxia desde dos puntos de vista para poder medir con mayor exactitud la distancia a las estrellas. La antigua misión Gaia usaba el paralaje que nos provee nuestro movimiento alrededor del Sol, pero esto es un límite que superamos colocando dos sondas distanciadas entre sí  más de 2 años luz. Una resolución sin precedentes.

La minería de asteroides nos permite disponer de materiales suficientes para abastecer de energía a los sumideros de recursos que son las actuales naves espaciales. La humanidad había conseguido moverse a velocidades relativistas. Pero hasta ahora nunca se habían enviado misiones a estas velocidades durante tanto tiempo.

La NASA ya había hecho experimentos con gemelos antes, pero solo se pudieron apreciar diferencias en ciertos marcadores biológicos fruto de la ausencia de gravedad. Sabían que sería devastador para el que viajaba, tanto tiempo en microgravedad sería muy duro de superar.

Por fin anunciaron la llegada del avión medicalizado que trasladaba a los astronautas. Estaba ansioso por ver a su hermano.

Cuando por fin se encontró con él lo vio muy animado, contento de ver a su hermano pequeño. Seguía enfundado en su traje antigravedad, este traje le permitia permanecer consciente, pasará mucho tiempo hasta que el corazón recupere la fuerza necesaria para impulsar su sangre. Circulación dificultada por la fuerza ejercida por nuestra madre tierra.

La prensa se hizo eco de su encuentro y de cómo dejó de ser el hermano mayor. Parecía que tuviese 15 años más que su hermano mayor, y los tenía. Su hermano mayor había tenido una experiencia increíble, pero era él el que había vivido la vida aquí en la tierra. La perdida de sus padres, la experiencia de formar una familia. Su hermano mayor era prácticamente un adolescente a pesar de los 35 años de misión.

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Disclaimer:

Como habréis podido observar hay una parte (mucha) de ciencia ficción, pero lo que está con enlaces es actualidad. 😉

Rosetta está despierta, en camino y navegando como los antiguos marineros.

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

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

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?

@guardiolajavi

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/