Una solución sin cables para la transmisión de datos en los satélites
Uno de los principales obstáculos para el diseño de satélites se encuentra en su interior: los pesados y complejos sistemas de cableado. En un satélite convencional, los cables ensamblados a mano y sus elementos de apantallamiento pueden representar hasta el 15 % de la masa seca total, y cerca de la mitad corresponde a las líneas de transmisión de datos. La dificultad para estandarizar estos sistemas hace que introducir modificaciones en las últimas etapas del diseño resulte muy caro y laborioso. En plataformas compactas, como los CubeSats y los microsatélites, el cableado limita considerablemente el espacio interior, complica el montaje y las pruebas, y obliga a instalar los componentes en posiciones fijas. Los enlaces de radio podrían eliminar la necesidad de cables físicos, pero pueden provocar interferencias electromagnéticas. Además, los sensores ópticos convencionales basados en fotodiodos no permiten distinguir simultáneamente las señales de varios transmisores. En el proyecto OCC4SAT(se abrirá en una nueva ventana), financiado con fondos europeos, se trabajó en la sustitución parcial del cableado tradicional mediante la comunicación óptica por cámaras(se abrirá en una nueva ventana) (OCC, por sus siglas en inglés), una alternativa inalámbrica y ligera para la transmisión de datos intrasatelital. En lugar de depender exclusivamente de cables o de ondas de radio, la OCC emplea enlaces ópticos de corto alcance mediante pequeños transmisores LED y receptores basados en cámaras. «Los sensores de las cámaras captan de forma natural la distribución espacial y los espectros de color. Por ello, una sola cámara puede funcionar como punto central de acceso óptico y recibir datos de varios transmisores LED sin necesidad de un cable independiente para cada enlace de comunicación», explica Jose Rabadán-Borges, coordinador del proyecto. «La cámara distingue varios flujos de datos simultáneos según su posición y longitud de onda mediante métodos de acceso múltiple(se abrirá en una nueva ventana) por división espacial y por longitud de onda. Esto permite establecer comunicaciones ópticas de alta densidad sin interferencias electromagnéticas».
Herramientas digitales y prototipos físicos para las comunicaciones ópticas
Para demostrar este concepto, el equipo de OCC4SAT desarrolló un conjunto integrado de tecnologías con dos demostradores principales. El primero es un simulador digital que reproduce la propagación de la luz, el trazado de rayos, las reflexiones en las superficies, el ruido de las cámaras y la generación de imágenes sintéticas. Con esta herramienta, los ingenieros pueden probar distintas ubicaciones de los enlaces y evaluar tanto las trayectorias ópticas directas como las reflejadas antes de fabricar los equipos. La simulación digital agiliza el diseño de los satélites y reduce la necesidad de realizar pruebas experimentales. El segundo demostrador es un prototipo físico que integra los equipos de transmisión y recepción de OCC. El transmisor incorpora emisores ópticos LED, circuitos electrónicos de control y un sistema de control basado en microcontroladores. Para transmitir los datos se utilizan la modulación por encendido y apagado y la modulación por amplitud de pulsos. El receptor emplea cámaras comerciales compactas, sistemas de adquisición de imágenes y algoritmos de demodulación desarrollados en el proyecto. En el proyecto se probaron modos de obturador global para establecer múltiples enlaces ópticos de baja velocidad y modos de obturador secuencial para velocidades de transmisión más altas, aprovechando la adquisición de imágenes fila por fila. Los ingenieros validaron estas tecnologías en maquetas realistas de CubeSat de 12U y microsatélites, con paredes reflectantes y obstáculos interiores. «Las pruebas confirmaron que la luz reflejada en las superficies interiores puede mantener una comunicación fiable sin línea de visión directa cuando esta se ve bloqueada», comenta Rabadán-Borges. «Además, gracias a la elevada sensibilidad natural de los sensores de las cámaras, los LED transmisores pueden funcionar con una potencia reducida. El receptor sigue siendo capaz de detectar señales débiles procedentes de LED pequeños o de baja potencia, lo que disminuye el consumo energético total en satélites con recursos eléctricos limitados».
De las pruebas con satélites a otros usos industriales
Tras cumplir con éxito todos sus objetivos principales y alcanzar el nivel cinco de madurez tecnológica, el equipo de OCC4SAT desarrolló un marco que abarca los requisitos y las especificaciones del sistema, los diseños de transmisores y receptores, los prototipos, las maquetas, los métodos de validación y una plataforma de simulación digital. Aunque todavía quedan etapas por completar antes de su utilización operativa, como el desarrollo de modelos de ingeniería, la precalificación ambiental y las demostraciones en órbita, la tecnología presenta perspectivas prometedoras. «Más allá de los sistemas espaciales, este enfoque de comunicación óptica sin cables ofrece claras ventajas para los vehículos aéreos no tripulados, la robótica, los sistemas avanzados de asistencia a la conducción, las plataformas de defensa y los entornos industriales en los que resulta esencial disponer de comunicaciones ligeras e inmunes a las interferencias electromagnéticas», concluye Rabadán-Borges.
