Las telecomunicaciones detrás de Perseverance, el robot de la NASA en Marte

Tras 203 días en el espacio, el pasado 18 de febrero de 2021 aterrizó en el planeta rojo el rover Perseverance de la National Aeronautics and Space Administration (NASA). Este vehículo de exploración espacial fue construido y enviado como parte de la misión Mars 2020, y estudiará la superficie de aquel planeta con el fin de evaluar su habitabilidad y la posible existencia de vida en el pasado.

Desde entonces, a través de las redes sociales, la NASA ha publicado diversas imágenes en alta definición captadas por Perseverance que muestran cómo es Marte.

¿Qué es lo que permite que estas imágenes sean enviadas por un robot que está a prácticamente siete meses de distancia de la Tierra? El Ing. Jorge Gallo, catedrático de Telecomunicaciones y docente de la carrera Ingeniería en Telecomunicaciones de la Universidad ORT Uruguay, explica cómo funciona el sistema que permite que los humanos conozcamos, con la mejor calidad posible, el estado de Perseverance y cómo luce la superficie de Marte.

• ¿Qué tipo de sistemas o infraestructuras permiten que la NASA, en la Tierra, se comunique con un robot en Marte?

  La infraestructura básica siempre es la de un sistema de radio típico: un transmisor (equipo que genera ondas electromagnéticas alteradas periódicamente con información de una señal útil, o sea moduladas), una antena emisora (dispositivo que radia la onda electromagnética que contiene la señal y concentra la energía en una dirección deseada), un medio de transporte de la señal (en esta caso las atmósferas de Marte y la Tierra, y el espacio libre entre ambas), una antena receptora (dispositivo que observa la energía proveniente de una dirección dada) y un receptor de radio (dispositivo que transforma la onda electromagnética en la señal eléctrica de información útil).

  Este montaje se repite en el sentido opuesto, pero todo con sus particularidades para el caso que nos ocupa. Hay que recordar que en el sentido Marte-Tierra se transmiten fotos e información de estados de funcionamiento del Perseverance y de los aparatos complementarios, pero en la dirección Tierra-Marte van relativamente pocos datos u órdenes para realizar operaciones.

• ¿Cuáles son los principales inconvenientes, a nivel de telecomunicaciones, debido a la distancia que hay entre la Tierra y Marte?

  La gran distancia entre los planetas trae dos inconvenientes.

  Por un lado el tiempo que tarda la señal. Es este caso, es importante observar que una onda electromagnética viaja en el espacio a la velocidad de la luz (300.000 kilómetros por segundo) y como Marte está a una distancia de la Tierra que varía entre los 55.710.000 km y 400.360.000 km (actualmente es de 215.960.658 km) —depende del ciclo de rotación alrededor del Sol—, es fácil ver que la señal de radio tarda hoy en propagarse 12 minutos (215.960.658 / 300.000 = 720 segundos o 12 minutos). Esto significa que el resultado de un comando dado desde la Tierra podrá verse 24 minutos después.

  Esto impide que, por ejemplo, se pretenda manejar en forma directa un móvil desde la Tierra. Solo pueden darse órdenes que sean ejecutadas autónomamente por el robot, por ejemplo, ir de un punto a otro, o verificar el suelo y detenerse en una roca con tal o cual característica.

  El otro inconveniente es  que la gran distancia también actúa en el medio de transporte de la señal (en este caso el espacio libre), lo que genera grandes pérdidas de potencia en el enlace. O sea, la señal llega muy débil y, por tanto, muy mezclada con el ruido electromagnético que la perturba desde otras fuentes de  generación electromagnética del espacio.

  También la posición relativa en el espacio del punto de bajada en Marte respecto a la Tierra trae su inconveniente, puesto que ambos planetas están girando sobre su eje. Esto provoca que en ciertos períodos no haya “visión directa” entre antenas, y, por tanto, la señal no llegue a destino.

  La poca energía disponible en el robot para moverse, captar las imágenes, mover las herramientas de prospección y transmitir las señales constituye otro desafío.

  La mezcla de estos factores llevó a los planificadores y ejecutores de esta misión a Marte a optar por apoyarse en cinco satélites que orbitan el planeta rojo. Tres ya existían previamente (Mars Odyssey Orbiter, Mars Express y ExoMars Trace Gas Orbiter) y se agregaron dos nuevos para esta misión, el Mars Reconnaissance Orbiter y el Mars Atmospheric and Volatile EvolutioN.

  Estos satélites, además de tener otras funciones, facilitan la comunicación con la Tierra, ya que quedan en una posición que alguno siempre es visible desde la Tierra y desde el robot en primer lugar. Esto permite la visión directa de las antenas respectivas y así actúan como relevadores de las señales. En segundo lugar, al estar cerca del suelo marciano acortan la distancia entre el satélite y el Perseverance, de manera que este último no gasta mayormente  energía en comunicaciones. Del robot sale la mayor cantidad de información y los satélites actúan como repetidores de los datos de comunicación, además de ser usados para prospectar y reconocer la atmósfera y el suelo marciano.

  Por otro lado, en la Tierra, debido a que esta rota sobre su eje y eso hace cambiar la vista de un punto dado del espacio durante las 24 horas del día, para mantener permanente comunicación con los satélites artificiales y naves o sondas de exploración espacial, ya hace un tiempo se ha creado una red de puntos de comunicación en el marco del programa Scope Communications and Navigation (ScaN) de la NASA. Esta es la red llamada Deep Space Network (DSN) que conecta los puntos de Goldstone (en California, Estados Unidos), Madrid (España) y Canberra (Australia). En estos sitios se instalaron antenas de grandes dimensiones o grupos de antenas que actúan como una sola más grande. Por su tamaño permiten enfocar de forma muy precisa un punto dado del espacio y, además, van operando como transmisoras o receptoras a medida que la Tierra rota.

• ¿Los instrumentos con los que cuenta la NASA en la Tierra y Perseverance en Marte son lo suficientemente potentes como para conectarse entre sí, siendo que hay millones de kilómetros de distancia, o es necesario apoyarse en otros instrumentos situados en el espacio en medio del camino?

  Para este proyecto es oportuno aprovechar los satélites en órbita en Marte, para que actúen como relevadores de la señal una vez posado el robot en suelo marciano. Sin embargo, cabe destacar que durante el viaje del Perseverance no existió forma de cómo apoyarse en estos satélites, por lo que la comunicación de la telemetría usó la estrategia de la comunicación directa. Así fue que hubo que incluir otro método ingenioso al canal de comunicaciones: la capacidad de transmitir los datos en forma redundante. Esto implica conocer la naturaleza de la información para saber cómo procesarla, para quedarse con lo relevante y, a su vez, esto redundarlo al transmitir, de manera que si esta información se corrompe sea posible reconstruirla de todas formas.  

  Dado que la telemetría implica relativamente poca información, esto es también más fácil de hacer con poca energía y repetido en el tiempo, de manera de darle la deseada redundancia. Una vez que el Perseverance se hubo posado en el suelo de Marte, la cantidad de información aumenta y allí también lo hacen los requisitos de energía y de mayor velocidad, sobre todo en el sentido Marte-Tierra. Así, juegan su papel los problemas de pérdida de energía en la propagación y la presencia de ruido electromagnético perturbador de la señal útil. Por eso es que pasan a usarse como relevadores los satélites mencionados anteriormente.

• Cuando uno piensa en enviar una foto a otra persona, necesariamente tiene que estar conectado internet para hacerlo. En ese sentido, ¿cómo hace Perseverance para enviar imágenes en alta definición desde tan lejos?

  En primer lugar, la conexión a internet  es una técnica que puede evolucionar aún más, así como lo hizo la televisión abierta común. En su tiempo, la televisión fue capaz de difundir la señal de la bajada del hombre en la Luna cuando nadie pensaba en una técnica como internet. Esa señal hubo que traerla desde la Luna (la cual está a una distancia más pequeña que Marte, claro) con técnicas mucho más rudimentarias que ahora sin digitalizarlas.

  Por otro lado, las señales que nos interconectan con el Perseverance son dedicadas a esa función y pueden existir perfectamente por fuera de una plataforma de interconexión de comunicaciones como lo es internet.

  Ahora bien, las imágenes de alta definición, las de baja y la telemetría pasan todas por un tratamiento que es similar a lo expresado anteriormente. Es parte de lo que se estudia en Ingeniería en Telecomunicaciones, así como los cálculos de los enlaces, las antenas, la construcción de los transmisores y receptores que se utilizan para esta labor. Todo esto sin apartarnos de problemas como los de interconectar las bases de la red DSN en la Tierra por fibra óptica, para que todas operen como si fueran una y pasando por los enlaces con los otros satélites que apoyan la misión.

• ¿Cómo funcionan esos equipos que permiten la comunicación?

  La clave de estos equipos es que sean, entre todos, capaces de extremar el cuidado de los datos convertidos en señales para que terminen llegando sin error. Se comienza estudiando las condiciones medioambientales, en este caso, las órbitas y posiciones de los planetas, y también la propagación en las atmósferas de ambos planetas. También se analizan las condiciones de los datos que se necesitan transportar; se van eligiendo, por un lado, cómo transformar los datos para que resistan el transporte en un ambiente ruidoso y de bajo nivel de señal y, por otra parte, cómo ganar en energía armando la estrategia de transmisores, receptores y antenas en el vano que cubrirán. Luego se optimiza todo el conjunto, introduciendo también las ventajas e inconvenientes físicos de cada parte, para llegar a sistemas que físicamente sean realizables.

• ¿Cuál es el rol de un Ingeniero en Telecomunicaciones respecto a la instalación y utilización de esos equipos?

  Un proyecto de este tipo tiene muchas disciplinas que intervienen, lo descripto es la parte de telecomunicaciones, por tanto es propio del Ingeniero de Telecomunicaciones. Sin embargo, este no debe olvidarse que para un proyecto así se necesitan especialistas en propulsión, energía, inteligencia artificial, mecánica, control automático… Y estas personas son solo para llevar el ingenio a Marte. Ni que hablar de las ciencias de la vida, que es el fin último de la investigación de estas misiones. Por lo tanto, podemos decir que lo que se necesita es que los que intervengan trabajen fuertemente interrelacionados en equipo.

  Por otro lado, este tipo de desafíos va a la punta de investigaciones y descubrimientos de técnicas que luego se han aplicado masivamente. Por lo que también es cierto que, en un proyecto de este tipo, tienen un rol preponderante los científicos que redefinen con ciencia básica los alcances de diseños de equipos que luego deberán construir los Ingenieros en Telecomunicaciones.