El centro técnico ESTEC de la ESA, en Noordwijk, Países Bajos, fue el escenario de prueba de Proba-3, una de las misiones futuras más ambiciosas de la Agencia. Los dos satélites que componen esta misión se alinearán de modo que uno proyecte una sombra sobre el otro, revelando regiones internas de la atmósfera fantasmal del Sol. Pero tal vuelo de formación de precisión solo será posible a través de un sistema de sensores basado en la visión que permita que un satélite se fije en el otro.
Los dos satélites Proba-3 volarán a una distancia de 144 metros para observaciones coronales, mientras que, además, realizarán maniobras de reconfiguración de la formación que cambiarán su distancia hasta 250 metros. Las pruebas de este sistema de sensores utilizaron el pasillo principal de ESTEC, de 230 metros de largo, que conecta las oficinas del proyecto con los laboratorios técnicos y el Centro de Pruebas satélite del establecimiento.
Las luces se atenuaron y se eliminaron las exhibiciones para permitir que las versiones de prueba de las cámaras observen un indicador LED con un objetivo de vuelo a lo largo de todo el pasillo. “Este sistema de sensores basado en la visión es la forma inicial en que los dos satélites adquieren formación y la vuelven a adquirir una vez por órbita”, explica Damien Galano, director de proyecto Proba-3 de la ESA.
“Está diseñado para permitir que la pareja se encuentre y calcule su posición relativa con una precisión de unos pocos milímetros, en distancias de 20 a 250 metros, lo que permite que la nave espacial maniobre de manera autónoma en la formación. Así que necesitábamos un espacio largo para probarlo y un espacio interior como este es mucho más controlable que al aire libre, donde el viento y otras perturbaciones interferirían con la configuración«.
Planeado su lanzamiento en 2023, los satélites de dos metros de escala de Proba-3 se alinearán de tal manera que uno, el ‘Occulter’, bloquee el disco solar cegador para el otro ‘Coronagraph’. Esto les dará a los investigadores una vista sostenida de las capas internas de su atmósfera tenue, o ‘corona’, normalmente oculta bajo la luz solar intensa, excepto durante breves eclipses solares.
“Ambos satélites volarán juntos en una órbita alargada o muy elíptica de 19,6 horas”, dice Raphael Rougeot, ingeniero del sistema de la misión Proba-3. “Volar activamente en formación a lo largo de esta órbita no sería práctico. En cambio, los satélites solo vuelan en formación durante las seis horas alrededor de los 60.000 kilómetros de altitud (o «apogeo») de su órbita. El resto del tiempo de maniobra en una trayectoria relativa de vuelo libre que garantiza la seguridad de la misión. Luego, saliendo de la parte inferior de su órbita, o ‘perigeo’, deben volver a adquirirse unos a otros».
Habrá un conjunto de cámaras a bordo del satélite Occulter, en busca de LED pulsantes en el Coronagraph, uno en cada esquina más un patrón cuadrado más pequeño en el lado derecho, destinado a revelar la orientación del satélite y permitir operaciones de proximidad.
Rougeot añade que “se necesitan dos cámaras con diferentes campos de visión. La primera cámara tiene un amplio campo de visión de 15 grados, que se utiliza para encontrar el Coronagraph. El segundo tiene un campo de visión más estrecho para proporcionar la precisión necesaria en una escala milimétrica. Otro sensor permite sincronizar sus adquisiciones de imágenes con los pulsos de LED. Esta sincronización precisa, hasta una cuestión de 10 millonésimas de segundo, es necesaria porque la luz de los LED podría perderse en el reflejo espurio del Sol en el Coronagraph, o en la Tierra brillante en el fondo. Además, las cámaras también tendrán un filtro optimizado para la luz LED del infrarrojo cercano”.
Las pruebas del sistema de cámara y un objetivo con LED de metro cuadrado se espaciaron a intervalos de 30 metros a lo largo del pasillo, arrojando resultados prometedores. Para simular la luz solar parásita, se utilizó una lámpara específica con las propiedades espectrales correctas. Esta lámpara fue caracterizada especialmente por el Laboratorio de Óptica de ESTEC para esta prueba.
Como seguimiento, se montó una versión más pequeña del objetivo LED en un brazo robótico montado sobre rieles en el Simulador de Aproximación y Aterrizaje de ESTEC (GRALS). Esta instalación de 33 metros de largo se utiliza para simular aproximaciones cercanas, encuentros y atraques entre objetos espaciales.
Jonathan Grzymisch, ingeniero del sistema de control y navegación de guía Proba-3, explica que “el brazo robótico movía el objetivo LED a lo largo de un patrón preprogramado mientras las cámaras observaban, lo que permite que el software del instrumento calcule su trayectoria dinámica relativa de forma continua. Esto nos permite caracterizar el rendimiento del sensor sobre una base dinámica determinista. Ambas pruebas funcionaron bien, gracias a la cooperación del Facility Management de ESTEC y las secciones técnicas relevantes».
El sistema de sensores basado en la visión de Proba-3 ha sido desarrollado por la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU). El equipo no pudo estar presente en persona en ESTEC debido a las restricciones de Covid-19, pero apoyó las pruebas de forma remota mientras los ingenieros de la ESA preparaban y ejecutaban la prueba.
