Los desafíos de datos profundos del telescopio espacial Webb, 3000 veces más lejos de la Tierra que el Hubble.

Cuando el Telescopio Espacial James Webb (JWST) revelo sus primeras imágenes el 12 de julio, fue el subproducto de espejos e instrumentos científicos cuidadosamente elaborados. Pero toda su destreza en la recopilación de datos sería discutible sin el subsistema de comunicaciones de la nave espacial.

Las comunicaciones de Webb no son llamativas. Más bien, los sistemas de datos y comunicación están diseñados para ser increíblemente, incuestionablemente fiables. Y aunque algunos aspectos de ellos son relativamente nuevos (por ejemplo, es la primera misión en usar frecuencias de banda Ka para velocidades de datos tan altas tan lejos de la Tierra), por encima de todo, las comunicaciones de JWST proporcionan la base sobre la que se asientan los esfuerzos científicos de JWST.

JWST está estacionado en el punto L2 de Lagrange . Es un punto de equilibrio gravitatorio situado a unos 1,5 millones de kilómetros más allá de la Tierra en línea recta entre el planeta y el sol. Es una ubicación ideal para que JWST observe el universo sin obstrucciones y con ajustes orbitales mínimos.

Sin embargo, estar tan lejos de la Tierra significa que los datos tienen que viajar más lejos para regresar en una sola pieza. También significa que el subsistema de comunicaciones debe ser confiable, porque la perspectiva de que se envíe una misión de reparación para abordar un problema es, al menos a corto plazo, muy poco probable. Dado el costo y el tiempo involucrados, dice Michael Menzel , el ingeniero de sistemas de misión de JWST, «no recomendaría una misión de encuentro y servicio a menos que algo saliera muy mal».

Según Menzel, que ha trabajado en JWST de alguna manera durante más de 20 años, el plan siempre ha sido utilizar frecuencias de banda Ka bien entendidas para las transmisiones voluminosas de datos científicos. Específicamente, JWST está transmitiendo datos a la Tierra en un canal de 25,9 gigahercios a hasta 28 megabits por segundo. La banda K a es una porción de la banda K más amplia (también se consideró otra porción, la banda Ku ).

Tanto la velocidad de recopilación como la de transmisión de datos de JWST eclipsan a las del antiguo telescopio espacial Hubble . En comparación con Hubble, que todavía está activo y genera de 1 a 2 gigabytes de datos por día, JWST puede producir hasta 57 GB cada día (aunque esa cantidad depende de las observaciones programadas).

Menzel dice que vio por primera vez las propuestas de selección de frecuencia para JWST alrededor de 2000, cuando trabajaba en Northrop Grumman . Se convirtió en ingeniero de sistemas de la misión en 2004. “Sabía dónde estaban los riesgos en esta misión. Y quería asegurarme de que no tuviéramos nuevos riesgos”, dice.

Además, las frecuencias de banda K pueden transmitir más datos que la banda X (7 a 11,2 GHz) o la banda S (2 a 4 GHz), opciones comunes para naves en el espacio profundo. Una alta tasa de datos es una necesidad para el trabajo científico que realizará JWST. Además, según Carl Hansen , un ingeniero de sistemas de vuelo del Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial (el centro de operaciones científicas de JWST), una antena de banda X comparable sería tan grande que la nave espacial tendría problemas para mantenerse estable para obtener imágenes.

Aunque la frecuencia de banda Ka de 25,9 GHz es el canal de comunicación principal del telescopio, también emplea dos canales en la banda S. Uno es el enlace ascendente de 2,09 GHz que transporta futuras transmisiones y programas de observación científica al telescopio a 16 kilobits por segundo. El otro es el enlace descendente de 2,27 GHz y 40 kb/s por el cual el telescopio transmite datos de ingeniería, incluido su estado operativo, el estado de los sistemas y otra información relacionada con las actividades diarias del telescopio.

Cualquier dato científico que recopile el JWST durante su vida útil deberá almacenarse a bordo, ya que la nave espacial no mantiene contacto con la Tierra las 24 horas del día. Los datos recopilados de sus instrumentos científicos, una vez recopilados, se almacenan en la unidad de estado sólido de 68 GB de la nave espacial (el 3 por ciento está reservado para datos de ingeniería y telemetría). Alex Hunter , también ingeniero de sistemas de vuelo en el Instituto de Ciencias del Telescopio Espacial, dice que para el final de la vida útil de la misión de 10 años del JWST, esperan reducirse a unos 60 GB debido a la radiación del espacio profundo y al desgaste.

El almacenamiento integrado es suficiente para recopilar datos durante aproximadamente 24 horas antes de que se quede sin espacio. Mucho antes de que eso se convierta en un problema, JWST tendrá oportunidades programadas para transmitir esos datos invaluables a la Tierra.

JWST permanecerá conectado a través de Deep Space Network (DSN), un recurso que comparte con Parker Solar Probe, Transiting Exoplanet Survey Satellite, las sondas Voyager y todo el conjunto de rovers y orbitadores de Marte , por nombrar solo algunos de los otros pesos pesados. El DSN consta de tres complejos de antenas : Canberra, Australia; Madrid, España; y Barstow, California. JWST necesita compartir un tiempo de antena finito con muchas otras misiones del espacio profundo, cada una con necesidades y horarios de comunicación únicos.

Sandy Kwan , ingeniero de sistemas de DSN, dice que las ventanas de contacto con la nave espacial están programadas con 12 a 20 semanas de anticipación. JWST tuvo una mayor cantidad de ventanas de contacto programadas durante su fase de puesta en marcha, ya que los instrumentos se pusieron en línea, verificaron y calibraron. La mayor parte de ese proceso requirió comunicación en tiempo real con la Tierra.

Todos los canales de comunicación utilizan el protocolo de corrección de errores Reed-Solomon, el mismo estándar de corrección de errores que se utiliza en los DVD y discos Blu-ray, así como en los códigos QR. Los canales de banda S de velocidad de datos más baja utilizan modulación de clave de cambio de fase binaria, lo que implica el cambio de fase de la onda portadora de una señal. El canal de banda K, sin embargo, utiliza una modulación de clave de cambio de fase en cuadratura. La modulación por desplazamiento de fase en cuadratura puede duplicar la tasa de datos de un canal, a costa de transmisores y receptores más complicados.

Las comunicaciones de JWST con la tierra incorporan un protocolo de reconocimiento: solo después de que JWST obtenga la confirmación de que un archivo se ha recibido correctamente, continuará y eliminará su copia de los datos para liberar espacio.

El subsistema de comunicaciones fue ensamblado junto con el resto de la nave espacial por Northrop Grumman, utilizando componentes listos para usar de múltiples fabricantes.

JWST ha tenido un desarrollo prolongado y, a menudo, retrasado , pero su sistema de comunicaciones siempre ha sido la base para el resto del proyecto. Mantener al menos un sistema confiable significa que es una cosa menos de qué preocuparse. Menzel puede recordar, por ejemplo, ideas para sistemas ópticos basados ​​en láser que fueron invariablemente rechazadas. “Puedo contar al menos dos veces en las que se me acercaron personas que querían experimentar con las comunicaciones ópticas”, dice Menzel. “Cada vez que vinieron a mí, los despedí con el viejo ‘Gracias, pero no lo necesito’. Y no lo quiero’”.

IEEE

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Ernesto Mota
Ernesto Mota
Nací en el d.f., sigo siendo defeño, hoy radico en la hermosa ciudad de Cuernavaca, Morelos, soy Ing. en Sistemas computacionales, con un posgrado en Tecnologías de información, Doctorando en ambientes virtuales de aprendizaje y realidad aumentada, Tecnólogo es mi categoría laboral, y mi linea de investigación es la realidad aumentada aplicada a nuevos entornos de aprendizaje.

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