DESCRIPCIÓN DE LA MISIÓN:

      El 4 de julio de 1997 Pathfinder llegó a su destino final. Una vez allí envió datos que permitieron el estudio de la atmósfera y la superficie de Marte. Así mismo se realizaron experimentos diversos. Pathfinder fue declarado oficialmente muerto el 10 de marzo de 1998 tras varios intentos fallidos de establecer comunicación desde la Tierra. No se conoce la razón exacta que impidió estas comunicaciones, pero al final la misión cumplió buena parte de los objetivos para los que fue concebida.
 

DESCRIPCIÓN DE LA NAVE:

      El lander lleva tres antenas: la antena de alta ganancia (HGA), usada en el enlace con la Tierra; la antena de baja ganancia (LGA), usada para el enlace con la Tierra durante el viaje hasta Marte; y la antena del LMRE (Lander Mounted Rover Equipment), utilizada para comunicarse con el 'Sojourner'. De todas ellas hablaremos más tarde, en la sección de comunicaciones.

      El elemento más llamativo de la misión es el 'Sojourner'. Por primera vez un vehículo fabricado por el hombre y manejado por control remoto se movía sobre la superficie de otro planeta. Sus principales características son:
     Peso total: 16 Kg.
     Peso de los equipos: 4.5 Kg., incluyendo la antena UHF y el modem.
     Navegación: autónoma, usando un láser que detecta la presencia de obstáculos.
     Sistema de movilidad: seis ruedas y suspensión.
     Comandos y telemetría: por un enlace UHF con el lander.
     Payload: dos cámaras (anterior y posterior) y el APXS y su mecanismo de despliegue.
     Fuente de energía: panel solar 0.25-M2 con potencia de pico 16 W., y una bateria de 50 W.
     Control térmico: tres calentadores de radioisotropos (RTGs).
     Ordenador: 80C85 MIPS con 0.5 Mbyte RAM. Peso: 0.5 Kg. Consumo: 1.5 W
     Tiempo de las operaciones en la superficie: 10 A.M. a 2 P.M. cada dia marciano.
 

COMUNICACIONES:

un enlace entre el rover y el lander, en UHF. un enlace entre el lander y la Tierra, a frecuencias de microondas.

Enlace rover-lander:
      La comunicación entre el lander y 'Sojourner' se realizó mediante un enlace via radio a frecuencias de UHF. A través de este enlace se enviaban comandos desde la Tierra al vehículo móvil y éste enviaba toda la información que captaban sus sensores. El equipo consta de un radio módem RNET9600 de Motorola, con algunas modificaciones, y una antena tipo dipolo construida por el mismo equipo de Telecomunicaciones del 'Sojourner'.

• Los radio módems
      Las modificaciones que se hicieron al radio módem venían impuestas por las condiciones extremas que encontraría el sistema en Marte: por un lado, temperaturas entre -30ºC y 40ºC; por otro, golpes, fundamentalmente en el aterrizaje; por último, las radiaciones externas. Para esto se cambiaron las piezas de plástico por otras de metal y se colocaron unos conectores más fuertes. Tras estos cambios se testearon los radio módems bajo esas condiciones y respondieron tal como se esperaba de ellos.

        Se modificaron de este modo radio módems tanto para el 'Sojourner' como para el lander, éste último formando parte del LMRE (Lander Mounted Rover Equipment). Se incluyeron equipos de reserva.

        El enlace es digital (trama de 2000 bytes), half-duplex y trabaja a 459.7 MHz. Debido a que los osciladores añadidos a los radio módems no están compensados térmicamente se necesita un calentador (0.5 W) que evite que la diferencia de temperatura entre el 'Sojourner' y el lander supere los 20ºC, en cuyo caso los osciladores de ambos equipos no producirían la misma frecuencia y se darían errores en la transmisión. Hay que tener en cuenta que el lander dispone de más calentadores que permiten aumentar la temperatura al conjunto del sistema.

  Las especificaciones del radio módem del rover son:
       Peso: 105.9 gramos.
       Dimensiones: 8.13 cm x 6.35 cm x 2.3 cm.
       Conector de radiofrecuencia: coaxial SMA.
       Connector DC: 9 pin Micro-D (señal y alimentación).
       Alimentación: voltage: +9 V, regulada; en operación +7.5 V.
                            corriente: 28 mA en standby; 35 mA en recepción; 170 mA en transmisión.
       Potencia DC: 1.7 W.
       Frecuencia central: 459.7 MHz.
       Ancho de banda del canal: 25 KHz.
       Modulación: DGMSK (Differential Gaussian Minimum Shift Keying).
       Potencia de transmisión: 100 mW.
       Interface con el ordenador del 'Sojourner': RS232 convertidos a niveles TTL.
       Velocidad de transmisión máxima: 9600 b/s asincronos; efectivos :2400 b/s.
       Rango de temperaturas: -30C to +40C (operacional), -55C to +60C (almacenado).

  Las especificaciones del radio módem del lander (LMRE) son:
       Peso: 265.2 gramos.
       Dimensiones: 10.6 cm x 7.1 cm x 5.3 cm.
       Conector de radiofrecuencia: coaxial SMA.
       Conector DC: micro-D de 9 pines para señal y micro-D de 15 pines para alimentación.
       Alimentación: voltage: +28 V, regulada.
                            corriente: 28 mA en standby; 35 mA en recepción; 170 mA en transmisión.
       Potencia DC: 1.5 W (sin incluir el convertidor de 28V).
       Frecuencia central: 459.7 MHz.
       Ancho de banda del canal: 25 KHz.
       Modulación: DGMSK (Differential Gaussian Minimum Shift Keying).
       Potencia de transmisión: 100 mW.
       Interface con el ordenador del lander: RS232 convertidos a niveles TTL.
       Velocidad de transmisión máxima: 9600 b/s asincronos; efectivos :2400 b/s.
       Rango de temperaturas: -30C to +40C (operacional), -55C to +60C (almacenado).

        Puede consultar el catálogo del radio módem comercial RNET 9600, que se eligió para el enlace UHF, aquí.
   

• Las antenas
        Las antenas del enlace UHF son monopolos conectadas con el radio módem mediante un cable coaxial balanceado por un choke de un cuarto de onda. Durante el viaje, la antena del 'Sojourner' está plegada y se posiciona verticalmente cuando el rover se enciende por primera vez. Naturalmente, su frecuencia central es 459.7 MHz, con un ancho de banda a -3dB de 700 KHz, una ganancia 1.4 dBiv y una longitud de 45 cm. La antena del lander (antena LMRE) mide 33.6 cm y un ancho de banda de 16 MHz. Los materiales con que fueron contruidas fueron fibra de vidrio, aluminio y teflón (para los soportes).

        Es importante conocer también el diagrama de radiación de los sistemas completos debido a que el resto de componentes del lander o del rover pueden provocar zonas ciegas que podrían hacer perder las comunicaciones. Para ello se midieron los diagramas con una señal continua de 100 mW de potencia, obteniéndose los siguientes diagramas:

  • diagrama de la antena del rover.
  • diagrama de la antena LMRE.
  
        Vemos como a distancias cortas las comunicaciones no podrían establecerse, de modo que se limitó físicamente (mediante unas plataformas) que el rover se acercase más de 3 metros a la antena LMRE del lander.

        Asímismo se realizó un análisis del enlace del que se obtuvo estos resultados:

       Potencia transmitida por el lander en el peor caso: P_tx = +19 dBm
       Pérdidas de transmisión en el cable transmisor-antena: L_tx cable = -1.0 dB
       Ganancia media relativa al radiador isotropico: G_tx antena = +1.4 dB
       Peor nulo en azimut del diagrama de radiación del lander: L_tx diagrama antena = -15 dB
       Potencia isotrópica radiada efectiva del lander (caso peor): L_pire = +4.4 dBm
       Pérdidas en el cable receptor-antena: L_rx cable = -1.0 dB
       Ganancia media relativa al radiador isotropico: G_rx antena = +1.4 dB
       Peor nulo en azimut del diagrama de radiación del lander: L_rx diagrama antena = -6.0 dB
       Desacoplo de polarización permitido entre lander y rover: L_pol = -3.0 dB
       Márgen de fading Rayleigh para una probabilidad<= 10^-4: L_rayleigh = -40 dB
       Pérdidas permitidas en espacio libre en en trayecto: L_{espacio libre} = -45.8 dB
       Rango radial dadas las pérdidas en espacio libre: D_máxima = 10.12 metros

           Con estas medidas podemos contruir un diagrama BER-atenuación de la señal para varias diferencias de temperatura entre rover y lander. De los resultados se observa que son críticos la distancia entre 'Sojourner' y lander (no deberá alejarse más de 10 m) y la diferencia de temperaturas entre los transmisores de ambos (según vimos más arriba).

Enlace lander-Tierra:
     La comunicación entre lander y Tierra se realiza mediante un enlace de microondas usando la red Deep-Space Network (DSN) de la NASA. Se trata de tres grandes instalaciones con antenas de diametros de 34 m. y 70 m., y receptores a muy baja temperatura. Esto les permite distinguir, entre el ruido de fondo, señales de muy baja potencia.

      El trasmisor del Mars Pathfinder es un amplificador SSPA (Solid State Power Amplifier) en la banda-X con 12 W. de potencia, que fue diseñado y construido en los laboratorios JPL.

      La antena LGA es una choked circular waveguide design con un diagrama de radiación que presenta un lóbulo principal de 70 grados a -3 dB a las frecuencias de trabajo. Permite una velocidad de transmisión de 600 bit/s. Esta será la antena que permitirá comunicarse con el Pathfinder desde su salida de la Tierra hasta la llegada a su destino en Marte.

      Una vez en suelo marciano se despliega la antena HGA y se orienta hacia la Tierra, orientándose por la posición del sol. Esta antena permite una velocidad de transmisión de 11.06 Kbit/s, pero su velocidad real será de unos 8.25 Kbit/s. Se trata de un array impreso de dipolos polarizados circularmente fabricado por Ball Aerospace. Presenta una ganancia de 20.4 dBic a 7.2 GHz y de 25 dBic a 8.4 GHz.
 

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