El software de compresión de datos FAPEC permite obtener imágenes de alta resolución de la Tierra desde un nanosatélite
El 18 de diciembre de 2019 despegaba desde la Guayana Francesa un lanzador espacial que transportaba el nanosatélite OPS-SAT de la Agencia Espacial Europea (ESA), un laboratorio espacial creado con el objetivo de probar y validar nuevas técnicas de control de misión y sistemas de satélite a bordo. El software FAPEC –desarrollado por DAPCOM Data Services, una spin-off de la Universidad de Barcelona (UB) y la Universidad Politécnica de Catalunya (UPC)– fue una de las primeras aplicaciones incluidas en este nanosatélite experimental que se han probado con éxito. Se trata de una solución de compresión de datos que ha permitido descargar numerosas imágenes de la Tierra obtenidas desde el espacio, con una resolución de 4 megapíxeles, en color y alto rango dinámico (12 bits por píxel). Cada una de estas imágenes tiene un peso de 7,6 MB, que se reduce a unos 800 KB en menos de un segundo. Estos resultados muestran las capacidades de este software para mejorar considerablemente la calidad de la imagen y abren un nuevo abanico de posibilidades para los nanosatélites de observación de la Tierra, ya que permitirán que futuros satélites puedan descargar más imágenes y de manera más eficiente y fiable.
“Los resultados iniciales de DAPCOM Data Services son increíbles”, afirma el responsable del proyecto OPS-SAT de la ESA, David Evans. “No esperábamos producir imágenes tan fantásticas con la cámara del OPS-SAT, y la innovación de DAPCOM nos ayuda a descargar muchas más y muchas veces”.
Un satélite de pocos centímetros de tamaño y menos de 10 kilogramos de peso
Los satélites más grandes utilizan hardware especializado para comprimir los datos de imágenes y poder transmitirlos a la Tierra manteniendo una alta calidad de imagen. Estos costosos sistemas de hardware tienen períodos largos de desarrollo y validación, y además requieren espacio físico a bordo, lo cual es un problema para los nanosatélites del tipo CubeSats, como el OPS-SAT, que tienen un tamaño de pocos centímetros y pesan menos de 10 kilogramos. “Hasta ahora en este casos se solían usar compresores domésticos típicos como el JPEG, pero estos no son muy robustos para entornos críticos como el espacio, y tampoco tienen mucha robustez ante posibles corrupciones de datos causadas por problemas en el radioenlace” , explica Jordi Portell, jefe tecnológico de DAPCOM Data Services e investigador del Instituto de Ciencias del Cosmos de la UB (ICCUB).
“El software FAPEC –prosigue el investigador–, altamente optimizado, versátil y portable, permite una integración ágil en el sistema de gestión de datos de carga útil, al tiempo que ofrece un rendimiento de compresión comparable a las soluciones basadas en hardware. Incluso los satélites con sólo un ordenador de a bordo, sin sistemas de alto rendimiento, pueden utilizarlo”. Además, este proceso se consigue con un coste computacional menor que el de otros softwares similares.
Primer experimento exitoso a bordo del OPS-SAT
El FAPEC ha sido el primer experimento de usuario no ESA que se ha activado a bordo del OPS-SAT, y ha permitido alcanzar dos objetivos importantes. En primer lugar, se ha demostrado la viabilidad de nuevos experimentos a bordo de esta misión de demostración de tecnología. Y, en segundo lugar, gracias a la colaboración con expertos de la ESA y la OPS-SAT, el software ya está disponible para otros experimentadores que tengan que descargar imágenes u otros datos de satélite. “Nuestro objetivo es que el FAPEC se convierta en un estándar de facto para los nanosatélites, ya que su versatilidad, simplicidad, robustez y eficiencia lo convierten en una solución idónea, rápida y de bajo coste para futuras misiones de cualquier tipo” , destaca Jordi Portell.
Según el investigador, estos resultados demuestran la robustez y la eficiencia del FAPEC, y lo hacen “idóneo” para el llamado NewSpace, un término que se refiere a la democratización del espacio y de la industria aeroespacial gracias al uso de satélites como el OPS-SAT, más pequeños, de menor costo y menor tiempo de desarrollo, en comparación con los satélites actuales, y que suelen estar basados en tecnologías estándar. “Estas características representan un cambio de paradigma en la manera de desarrollar misiones espaciales, y harán que se potencie el uso de sus servicios por muchos más agentes, en aplicaciones tanto verticales como transversales de varios sectores productivos”, explica Jordi Portell. De hecho, la Generalitat de Catalunya, mediante su Departamento de Políticas Digitales y Administración Pública, ya ha comenzado a apostar por este sector mediante la Estrategia NewSpace de Catalunya.
Una parte importante de la misión Gaia
Las capacidades de compresión de imágenes del FAPEC aún no se habían demostrado en órbita hasta ahora, pero el software ya está siendo utilizado por una constelación comercial de satélites para comprimir datos de carga útil a bordo. De hecho, el software se concibió en el marco de la misión Gaia de la ESA, que tiene como objetivo crear un mapa tridimensional de la Vía Láctea. El grupo Gaia del ICCUB/IEEC tiene un papel esencial en el procesamiento de datos de esta misión, y el FAPEC ha servido para comprimir el segundo y el tercer catálogos de la misión, que recoge la posición de 1.700 millones de estrellas e incluye datos sobre la distancia, el movimiento y el color de más de 1.300 millones de estrellas de la Vía Láctea y de galaxias cercanas. Gracias al software creado por DAPCOM Data Services, el catálogo ha reducido su tamaño de los 554 GB originales (en formato gzip) a 471 GB.
El FAPEC también se puede aplicar a la compresión de tipos muy variados de datos, ya que soporta ficheros binarios y de texto (como registros de aplicaciones y grandes archivos CSV) con series temporales, matrices multidimensionales, o imágenes con varias bandas de color o formatos específicos. De este modo, aparte del espacio, se puede utilizar en campos muy diversos, como la medicina, con datos como los de las resonancias magnéticas, la genómica (ficheros fastq) o los datos de columna de agua registrados por ecosondas del fondo marino.
Además, aparte de ofrecer una alta capacidad de compresión de datos, el FAPEC tiene otras ventajas: gran rapidez de ejecución, encriptación de datos, generación de estadísticas, funcionamiento en casi cualquier plataforma de computación, y la capacidad de adaptarse a otros tipos concretos de datos, como un experimento científico, un sensor o una cámara.
Las imágenes obtenidas por el OPS-SAT se publican regularmente y se pueden encontrar en Flickr.