Cómo compartir un álbum de fotos desde plutón - La experiencia de la NASA

La tecnología está haciendo que el mundo sea más chico. Cuando nos vamos de vacaciones no aguantamos la espera del regreso para compartir fotos y vídeos que sacamos con nuestros teléfonos celulares. Playas, lagos, bosques y montañas sirven de marco a nuestros retratos. Selfies, fotos grupales, panorámicas, vídeos se almacenan y se comparten.

La tecnología también extiende los límites. Permitiéndonos llegar más lejos, más rápido. Tal vez en algunos años unas vacaciones a Plutón o un trabajo en alguna colonia en su superficie nos tenga como protagonistas. Y ciertamente también vamos a querer compartir nuestro álbum con nuestros seres queridos. Tendremos buena señal? Tendrán nuestros destinatarios que esperar mucho para recibir las imágenes? Al menos la NASA ya tiene algo de experiencia en el tema.



El 19 de enero de 2006 se lanzó la misión espacial no tripulada "New Horizons" con destino a Plutón. Luego de varios años de viaje y aprovechar el impulso orbital de la Luna y Júpiter llegó al punto más cercano de Plutón el 14 de Julio de 2015. Entre sus instrumentos lleva a LORRI (Long-range reconnaissance imager) una cámara fotográfica monocromática de 1024 x 1024 pixels (puntos). Cada pixel puede representar un valor con 12bits. Por lo tanto cada imagen ocupa 12.582.912 bits (1,5 MB para una medida más cercano a nuestra costumbre). Además contiene otros instumentos que permiten medir otras características del planeta observado.

A medida que New Horizons va obteniendo las imágenes y otras mediciones las almacena en una memoria de estado solido (SSR - solid state recorder) que consiste en 64Gbits de almacenamiento no volátil organizado en 16 segmentos independientes. A medida que se van llenando los segmentos se van utilizando otros. Dentro de cada segmento la información se almacena comprimida.
Luego de un viaje de más de 9 años las ansias por ver las primeras imágenes recibidas estaba en un pico importante. En este caso esperar el regreso de la nave para ver las imágenes no es una opción, principalmente por que la misma no va a regresar.

Por suerte New Horizons cuenta con antenas de comunicación que le permite enviar las imágenes en forma de señales radio. Estas señales se desplazan mucho más rápido que un objeto solido, por lo que llegar a la tierra les demora "sólo" 42 minutos. Pero, teniendo en cuenta que las antenas deben estar alineadas con los receptores de la tierra, que la nave debe tener la energía suficiente para la transmisión y que las receptores de la tierra además atienden otros instrumentos remotos, se estima que la transmisión de toda la información a enviar llevará entre 172 días (utilizando una antena de transmisión) u 88 días (utilizando ambas antenas).

La distancia entre Plutón y la Tierra hace que la señal que envía New Horizons llegue en forma débil. por lo tanto para tener cierta confiabilidad de los datos recibidos la velocidad de transmisión es bastante lenta: 1Kbit por segundo (un modem telefónico hace unos años transmitía a 56Kbit/s y hoy días nos resulta comparado a nuestra conexiones a internet algo muy lento).

La forma de enviar la mayor cantidad de imagenes en estas circunstancias pasa entonces por comprimir las imagenes. La nave espacial cuenta dentro de su software programas para comprimir las imágenes. Tradicionalmente existen 2 aproximaciones fundamentales en la compresión de datos: con y sin perdida de información. Al ser esta una exploración científica de descubrimiento toda información es preciosa. Por lo tanto seleccionar los algoritmos adecuados de compresión de datos se hizo fundamental.

Plutón en 2010 - Telescopio espacial Hubble

primeras imagenes de Plutón - New Horizons

Se decidió a la hora de transmitir las imágenes hacerlo en 2 etapas. La primera etapa consiste en imágenes comprimidas con perdida de información para armar un catálogo. El formato seleccionado es JPG. Estas imágenes se fueron enviando y nos fuimos maravillando con los detalles de un planeta del que no sabíamos demasiado.

El 10 de septiembre se comenzó a enviar las imagenes con compresión sin perdida de información. Este evento se adelantó debido a una serie de errores en la recepción de las imágenes jpg recepcionadas en Julio.

La selección de un método de compresión sin pérdida de información es, en si mismo, un tema interesante. Se dan una serie de condiciones especiales a tener en cuenta.

En primer lugar no hay mucho margen de error. Se debe seleccionar un método probado ampliamente, para evitar encontrar errores durante la misión.

Relacionado al punto anterior se seleccionan implementaciones open source para poder tener el control del código y conocer que pasa linea a linea de ejecución.

 Además se cuenta con almacenamiento y energía limitada. El método seleccionado debe comprimir lo más posible, con el menor procesamiento posible. La fuente de alimentación de New Horizons es de origen nuclear. Durante el gran trayecto se va consumiendo su combustible y se hace necesario cuidarlo lo más posible.

El método debe limitar lo más posible el efecto de la propagación de los errores de transmisión. De esa forma una foto o sería de ellas no debería ver afectado su visualización ante la perdida o modificación de parte de la señal de transmisión.

También se requiere la capacidad del método de compresión de trabajar con paquetes de información sin tener que reenviar por cada uno, información estadística de cada paquete (el envío de cada bit de información es costoso).

Con todo esto en mente el CCSDS - encargado de desarrollar standards de comunicación y sistemas de información para vuelos espaciales - propone utilizar un método:

- Estadístico (basado en la teoría de la información de Shannon.)
- Dinámico (comprime sin generar un modelo a priori, sino que lo va generando y actualizando a medida que procesa los datos)

Existe una gran cantidad de algoritmos de esa naturaleza. Pero optan por crear un standard basándose en el algoritmo de compresión de Rice.

Por estos días se siguen recibiendo imagenes enviados por New Horizons. Se pueden ver nuevas capturas en la galería del sitio de la NASA y seguir las novedades desde los recursos para los medios de la NASA.

Tal vez no sea una opción turística cercana los viajes de Pluton y aun lejana la colonización de su superficie, para ya tenemos algunas imágenes espectaculares para acrecentar nuestra imaginación.