(30/09/2011)

La comunicazione tra la Terra e una sonda interplanetaria

(La sonda della NASA Cassini)

Il sistema di comunicazione è un elemento di vitale importanza in una missione spaziale. Infatti, permette di:

• Ricevere a Terra i dati raccolti dai diversi strumenti scientifici a bordo della sonda, e i dati relativi allo "stato di salute" della sonda stessa (Telemetria);
• Determinare la traiettoria della sonda nello spazio (Tracking)
• Inviare i comandi dalla Terra alla sonda, per esempio per modificarne l'assetto o per accendere uno strumento a bordo (Commanding).

Inoltre, un sistema di comunicazione ad alta precisione può essere sfruttato per condurre esperimenti scientifici (radioscienza).

La progettazione del sistema di comunicazione a bordo di una sonda rappresenta una sfida ingegneristica di altissima complessità. Il sistema di comunicazione, infatti, deve garantire la massima affidabilità per tutta la durata della missione, e deve essere in grado di gestire la comunicazione a distanze enormi: per esempio, Cassini, in orbita intorno a Saturno, si trova a circa 1 miliardo di km dalla Terra. Contemporaneamente, deve essere leggero e dal minimo consumo energetico.

In generale, per una sonda spaziale, il consumo energetico, il peso e il volume sono risorse scarse, che devono essere ottimizzate tra tutti gli strumenti di bordo.

Il cuore del sistema di comunicazione di una sonda spaziale è il Transponder, nella cui progettazione l'Italia è all'avanguardia mondiale.

(Il DST, il transponder di Cassini)

Per comunicare con la sonda, la stazione di Terra le invia un segnale radio ad alta frequenza (detto portante o, in inglese, carrier), includendo in esso i comandi da eseguire; il segnale attraversa l'atmosfera terrestre, si propaga per centinaia di milioni di km nello spazio interplanetario e raggiunge la sonda; quest'ultima lo riceve, lo demodula, memorizza i comandi in esso contenuti e ritrasmette il segnale verso Terra, includendovi dati di telemetria. La stazione di terra riceve il segnale inviato dalla sonda, lo demodula e recupera i dati in esso contenuti.

Le frequenze del segnale ricevuto a bordo della sonda e successivamente alla stazione di terra sono diverse da quella di trasmissione (frequenza “nominale”), Queste variazioni sono dovute a diversi fattori.

Uno di questi è lo spostamento Doppler generato dal moto relativo tra la Terra e la sonda: per esempio, se, durante la comunicazione, la Terra e la sonda si stanno avvicinando, la frequenza del segnale subirà un aumento rispetto al valore nominale.

Lo spostamento Doppler della frequenza del segnale radio di comunicazione tra la Terra e la sonda costituisce una informazione preziosa, sia per determinare l’orbita di quest’ultima, sia per condurre esperimenti di radioscienza.

Anche i mezzi attraverso cui il segnale si propaga durante il tragitto Terra-sonda (come la troposfera e la ionosfera terrestre, o il plasma solare) alterano il segnale di comunicazione, ma in maniera generalmente indesiderata. I mezzi di propagazione costituiscono una fonte di rumore per la comunicazione spaziale.

Nelle missioni interplanetarie, per la comunicazione Terra-sonda sono internazionalmente allocate tre bande di frequenza: S (in cui la frequenza della portante è intorno a 2GHz), X (intorno a 7-8GHz) e Ka (intorno ai 32-34GHz). Rispetto alle prime missioni spaziali, in cui era utilizzata esclusivamente la banda S, nel corso degli anni vi è stata la tendenza ad utilizzare bande a frequenza più elevata, perchè ciò permette di ottenere migliori performance di comunicazione e misure radiometriche più accurate.

L'Agenzia Spaziale Europea (ESA), per comunicare con le sue sonde interplanetarie, utilizza due antenne di 35m di diametro, situate a Cebreros (Spagna) e a New Norcia (Australia). Una terza antenna è in costruzione a Malargüe, Argentina. Anche l'Italia si sta dotando di una antenna da 64m di diametro, il Sardinia Radio Telescope (localizzata in Sardegna), che tra i suoi scopi ha anche quello di essere utilizzata per comunicare con gli spacecraft nell'ambito di missioni spaziali.

(L'antenna italiana in costruzione: Sardinia Radio Telescope)

Nei prossimi articoli approfondiremo meglio le tecniche utilizzate per determinare l’orbita di una sonda spaziale, che sono alla base anche degli esperimenti di radio scienza e di geodesia spaziale.

Guarda dove si trova ora la sonda Messenger. Questa immagine è stata prodotta con il NASA/JPL Solar System Simulator.