Descubriendo las misiones espaciales a través del análisis de datos

DESCUBRIENDO LAS MISIONES ESPACIALES A TRAVÉS DE SUS DATOS

Guía introductoria PROGRAMA INVESTIGA I+D+i Edición 2024-2025 Naiara Fernandez De Bobadilla Vallano Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial INTA Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial

Tabla de contenido

1. Las misiones espaciales
2. Datos generados en misiones espaciales.
1. Telemetría de salud o housekeeping
2. Telemetría específica de cada misión
3. Telecomandos
3. ¿Cuando se pueden transmitir datos entre los segmentos de vuelo y tierra?
4. Camino de los datos
1. Generación y almacenamiento de telemetría
2. Procesado de datos a bordo
3. Transmisión vuelo-tierra
4. Procesado de datos en tierra
5. Archivo y análisis de datos
5. Aplicación de la ciencia de datos y la inteligencia artificial en las misiones espaciales
6. Basura Espacial
1. ¿Qué es la basura espacial y qué implicaciones tiene en las misiones actuales?
2. El papel de la ciencia de datos y la inteligencia artificial en la gestión de la basura espacial
7. Temas de reflexión y preguntas abiertas.
8. Bibliografía

................En los últimos años, el incremento en el número de lanzamientos de satélites y la complejidad de las misiones espaciales han disparado el volumen de datos generados en la ciencia del espacio. Este auge ha contribuido significativamente al avance tecnológico y científico y a una mejora en nuestra calidad de vida. Sin embargo, también ha llevado a un aumento exponencial de la basura espacial, lo que puede llegar a tener graves consecuencias. Esta guía servirá como una primera inmersión a las misiones espaciales desde un punto de vista de los datos que se generan e intervienen en ellas y a la aplicación de la ciencia de datos y la inteligencia artificial en ellas. Trataremos de dar respuesta a las siguientes cuestiones: ¿ qué tipo de datos se generan en las misiones espaciales? ¿qué camino siguen esos datos desde que son generados en el espacio hasta que son interpretados en tierra por los usuarios finales? ¿ cuando se puede realizar la transmisión de ellos entre el espacio y La Tierra? ¿ Qué es la basura espacial y qué datos intervienen en su gestion? ¿ Qué aplicaciones tiene la ciencia de datos y la inteligencia artificial en las misiones espaciales y en la gestión del tráfico y la basura espacial?

Las misiones espaciales

Una misión espacial es un proyecto en el que se desarrollan una serie de actividades planificadas y coordinadas abarcando múltiples disciplinas para conseguir objetivos específicos en el espacio, y pueden ser llevadas a cabo por agencias espaciales, instituciones científicas o empresas privadas. Estos objetivos son muy diversos, y pueden ir desde la exploración de planetas, lunas y estrellas, la observación de fenómenos cósmicos y La Tierra, la investigación científica, hasta la prestación de servicios a la población como la comunicación, la navegación o la vigilancia ambiental. Todas estas aplicaciones y servicios dependen de los datos que viajan en el espacio. Las misiones espaciales más comunes son no tripuladas, aunque también se desarrollan misiones tripuladas llevando astronautas al espacio. Un ejemplo de las últimas es la Estación Espacial Internacional (ISS, de sus siglas en inglés), que puede alojar una tripulación de hasta 6 astronautas gracias a su equipamiento de soporte vital, que proporciona aire respirable, agua potable y control de temperatura y humedad, asegurando un entorno seguro para los astronautas y dotándola de gran complejidad.

Figura 1: Estación Espacial Internacional Pero, una misión espacial no sólo está compuesta por las naves que se envían al espacio, ¿te imaginas en qué podría convertirse un satélite sin capacidad de comunicación con tierra para enviar todos los datos que genera? La información no llegaría a los usuarios finales y no sería de utilidad tener un segmento de vuelo en perfecto funcionamiento si no disponemos de un canal de comunicaciones y una infraestructura en tierra que permita recibir e interpretar los datos. Por este motivo, es imprescindible disponer de un sistema de comunicaciones robusto que permita la transmisión de datos entre vuelo y tierra. Sin él, no se podría cumplir de manera exitosa el objetivo principal de la misión para el que ha sido inicialmente diseñada. A continuación, vamos a introducir brevemente los elementos básicos de toda misión espacial.

Segmento de vuelo

Es el elemento que se envía al espacio, que puede ser un satélite orbitando La Tierra, una sonda espacial destinada a viajar grandes distancias en el espacio, ya sea para orbitar otros cuerpos, aterrizar en su superficie o pasar cerca de ellos para recolectar datos, o un rover diseñado para desplazarse sobre la superficie de Marte. Las misiones espaciales más comunes son los satélites que orbitan La Tierra. Los satélites se dividen principalmente en dos módulos, el módulo de servicio o plataforma y el módulo de carga útil o de pago. La carga útil realiza las tareas específicas de la misión, como telescopios o radares que recopilan datos científicos o de interés para los usuarios en La Tierra, pero requiere de la plataforma que, mediante distintos subsistemas, le da soporte para asegurar su correcto funcionamiento. El segmento de vuelo debe de ser diseñado para operar en las condiciones del espacio, teniendo en cuenta la radiación, el vacío y las temperaturas extremas.

Lanzador

Para transportar al espacio el segmento de vuelo se hace uso del segmento lanzador o, lo más comúnmente conocido, el cohete. Los lanzadores están compuestos por varias etapas que se desprenden a medida que consumen su combustible, permitiendo al segmento de vuelo alcanzar la velocidad y altitud necesarias para entrar en su órbita deseada o seguir su trayectoria en el espacio.

Segmento terreno

El segmento terreno consiste en toda la infraestructura en tierra necesaria para establecer la comunicación con el satélite y planificar, monitorizar y controlar el segmento de vuelo. En este se lleva el control de la misión y también se realiza el análisis de los datos recibidos del satélite. El segmento terreno de cada misión dispondrá de, al menos, una estación terrena capaz de recibir y enviar señales de radiofrecuencia desde y hacia el satélite y convertirlas en datos entendibles por el resto de sistemas. El principal elemento de una estación terrena es la antena que variará según la misión, yendo desde antenas yagi parecidas a las que tenemos en nuestras casas hasta antenas parabólicas con diámetros de hasta 70 m, como la instalada en Robledo de Chavela como parte de la Red de Espacio Profundo de la NASA, en colaboración con INTA y la Agencia Espacial Europea (ESA). La complejidad de estas antenas dependerá también del tipo de órbita o trayectoria del segmento de vuelo. Además, los segmentos terrenos dispondrán de centros de operaciones y de control de la misión desde los que se llevan a cabo las siguientes tareas:

• Planificación de las actividades a ejecutar por el segmento de vuelo y conversión de las mismas en instrucciones entendibles por el satélite
• Recepción de los datos de los satélites, procesado, monitorizado y archivo de los mismos
• Cálculos de dinámica orbital para el control de la trayectoria del segmento de vuelo y ejecución de maniobras orbitales
• Gestión de las peticiones de usuarios y distribución de los datos a los mismos
• Medida de la calidad de los datos proporcionados por los satélites (imágenes, señales de comunicación ... )

Segmento usuario

El segmento usuario consiste en los usuarios finales de los datos y servicios que proporciona la misión y da acceso a los mismos para su explotación. Los usuarios pueden ser muy variados, agencias gubernamentales, organizaciones científicas o nosotros mismos. Los usuarios deberán disponer de hardware y software necesario para hacer uso de los datos finales que, dependiendo de la misión, requerirá mayor o menor complejidad pudiendo incluir centros de análisis, sistemas de distribución de información o herramientas que permitan interactuar con los datos, como aplicaciones móviles.

Space segment Spacecraft Ground station Launch facility Control center Customer terminals I&T facility Pre-launch Remote terminals Ground segment User segment

Figura 2: Elementos de una misión espacial

Operaciones

Las operaciones son una parte esencial de las misiones espaciales que, no son mencionadas habitualmente, pero merecen ser conocidas. Estas son todas las actividades y procedimientos que se deben ejecutar para mantener una misión espacial y asegurar su correcto funcionamiento. Consisten en la recolección de los datos de la misión para verificar y monitorizar la salud de la nave espacial y detectar y solucionar anomalías, además del envío de instrucciones y configuración de la nave espacial para las distintas tareas que tendrá que ejecutar. Como parte de las operaciones también se incluyen el posicionamiento de la nave en su órbita nominal y el control y mantenimiento de la misma mediante maniobras. Toda misión tiene una fase inicial de operaciones justo después de lanzamiento en la que se comprueban que todos los equipos funcionan correctamente. Se continua con una segunda fase de comisionado, en la que se inician las operaciones con las cargas de pago de los satélites y se evalúan sus prestaciones. Una vez finalizada, se inicia la fase rutinaria en la que se desarrollan las operaciones nominales durante toda la vida útil de la misión hasta su fin, momento en el que se ejecutan las operaciones requeridas para evitar la generación de basura espacial, incluyendo una pasivación del segmento de vuelo llevándolo a un estado inerte y la colocación del mismo en una órbita cementerio o de re-entrada atmosférica. En cada una de estas fases, se pueden dar anomalías o contingencias en las que sea necesario realizar operaciones no rutinarias que solucionen los problemas en órbita y puedan llevar al satélite a un estado nominal para continuar con sus actividades. Previamente al lanzamiento, todas las operaciones mencionadas pasan por una fase de definición, en las que se detallan paso a paso y se validan mediante ensayos. Además, también se ejecutan simulaciones de preparación y entrenamiento para los futuros operadores que estarán a cargo de la misión.