Un sistema de calidad de datos científicos para el instrumento GIADA dentro de la misión espacial ROSETTA

Abstract

1 Introducción Los cometas son, probablemente, los cuerpos celestes que más han cautivado a la humanidad desde la más remota antigüedad. El gran avance experimentado en el estudio de estos cuerpos durante los últimos treinta 30 años, se debe en gran parte, a la utilización de instrumentación a bordo de sondas espaciales. Una de estas sondas, es la que conforma la misión Rosetta de la Agencia Espacial Europea (ESA). Rosetta toma su nombre de la piedra basáltica hallada en 1799 por el soldado Pierre-François Bouchard durante la campaña francesa en Egipto. Esta piedra fue el elemento clave para poder descifrar la escritura jeroglífica egipcia, de la misma manera, se espera que Rosetta sea la llave que permita abrir la puerta de los ¿misterios¿ que entrañan los cometas. Las actuales hipótesis sobre las primeras etapas de la evolución del Sistema Solar, identifican a los cometas como restos de la formación de nuestro sistema planetario. Los cometas mantendrían un registro de las actividades físicas y químicas que acontecieron en estas etapas iniciales, dado que los únicos procesos que habrían alterado su composición serían los derivados de la radiación solar. En definitiva, el material cometario contendría una información única sobre las fuentes que contribuyeron a la nebulosa proto-solar, así como sobre los procesos de condensación que dieron a lugar a la formación de planetesimales y posteriormente a los planetas, incluyendo la Tierra, por lo que son objetivos de estudio de primer orden. El Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) ha participado en el diseño y la construcción de dos de los instrumentos embarcados en el orbital de Rosetta: OSIRIS (Optical, Spectroscopic and InfraRed Imaging System) y GIADA (Grain Impact Analyser and Dust Accumulator). La contribución del IAA al proyecto Rosetta, se conjuga en dos grandes vertientes, una a nivel científico, y otra a nivel de ingeniería, en concreto en la construcción de parte de los sistemas electrónicos (GIADA y OSIRIS) y de la totalidad del software embarcado (GIADA). Por otro lado, el área de investigación desarrollada en los últimos veinte años en el Departamento de Ciencias de la Computación e Inteligencia Artificial de la Universidad de Granada, dedicado al tratamiento de la información imprecisa (difusa) y deductiva, ha generado una evolución de modelos de base de datos que han ido heredando y acrecentando sus capacidades de forma progresiva. Esta memoria une estos campos de estudio, a priori alejados entre sí: el análisis de los datos científicos proporcionados por el cometa y los modelos de bases de datos difusos deductivos. Para ello se ha diseñado y construido el programa de computador GDB-GUI. Este programa permite almacenar, manipular y explotar los datos y el conocimiento adquiridos durante la construcción de GIADA, utilizando para ello una adaptación del modelo de base de datos difuso deductivo.

2 Motivación y objetivos Los datos del cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, obtenidos in situ por la sonda espacial Rosetta y sus instrumentos, son una fuente extremadamente valiosa de información, no sólo por su repercusión científica sino también por el enorme esfuerzo internacional humano y económico que ha sido necesario para su obtención. Cualquier herramienta que permita analizar, explotar y validar estos datos, se convierte en un motivo loable y necesario que pone en valor el trabajo realizado durante la última década por ingenieros, científicos e instituciones. El objetivo principal de esta memoria, consiste en proporcionar una herramienta que permita representar el conocimiento experto acerca del instrumento GIADA. Esta herramienta será aplicada sobre los datos científicos obtenidos, permitiendo verificar y calificar los resultados, a fin de profundizar en el estudio de la dinámica del polvo cometario. Para realizar esta tarea, se han utilizado tres elementos principales: el software de GIADA, el modelo de base de datos y la interfaz GDB-GUI. Como primer elemento, se encuentra el trabajo realizado por el autor de esta memoria, centrado en el desarrollo de software del instrumento GIADA. Los detalles precisos de cómo se realiza la detección de partículas de polvo, servirán como fuente de conocimiento experto, que será representado mediante el modelo de base de datos y se utilizará posteriormente en la validación de GDB-GUI. El segundo elemento lo constituye un modelo de base de datos difuso deductivo. Este modelo teórico y su adaptación a las necesidades para la explotación de datos científicos de GIADA, constituye la herramienta de representación y explotación de todo el conocimiento experto de GIADA. La pieza que unifica, centraliza y hace accesible a un usuario los dos elementos anteriores es GDB-GUI, una interfaz para el modelo de base de datos difuso deductivo. Permite importar los datos de partículas cometaria (reales, simuladas o de calibración), expresar el conocimiento experto utilizando la reglas definidas por el modelo y crear conjuntos de datos de entrada controlados, que serán posteriormente utilizados en la validación de dicho conocimiento. Una vez almacenada la información, podrá ser consultada, permitiendo obtener nuevos datos. Tanto la consulta como el almacenamiento pueden llevarse a cabo en términos tanto difusos como precisos. Los resultados obtenidos, en el caso de incorporar componentes difusos, serán calificados numéricamente con un determinado grado de validez o ajuste, calculado a partir de las directrices del modelo. .

3 Conclusión El objetivo principal de esta memoria era disponer de una herramienta capaz de representar y explotar los datos y el conocimiento experto procedentes del instrumento GIADA, con el fin de profundizar en el estudio de la dinámica del polvo cometario. Se ha presentado GDB-GUI, un programa de computador multiusuario y multiplataforma que implementa una interfaz al modelo de base de datos GDB. Este modelo es una adaptación del modelo integrado de una base de datos relacional difusa deductiva, heredero de una evolución de modelos de bases de datos relacionales, lógicas y difusas. Para verificar GDB-GUI y el propio modelo, se ha utilizado conocimiento experto, en concreto, el del sistema de detección de partículas implementado por el software de GIADA. Se ha construido un conjunto de reglas relativas a la detección de eventos GDS+IS (los tipos de eventos con mayor interés científico), se ha calculado el resultado y se ha contrastado con el obtenido por GDB-GUI. Las reglas creadas han permitido identificar falsos positivos en la detección de eventos GDS+IS, revelar patrones de rebotes en el IS, así como descubrir y evaluar nueva información acerca de eventos GDS+IS no explícitamente identificados. Más aún, la combinación de ambas reglas ha establecido un procedimiento para reparar eventos GDS+IS detectados de forma defectuosa, que, inicialmente, deberían ser desechados. Se puede apreciar, por tanto, no sólo la capacidad de la herramienta para representar y manejar información, sino cómo su uso con conocimiento experto preciso ofrece resultados científicos relevantes. Las aplicaciones de la herramienta alcanzan otros campos de trabajo. Se puede utilizar como repositorio del conocimiento experto en cualquier área de trabajo de GIADA, ya que lo centraliza, lo hace accesible a usuarios dispersos geográficamente y mantiene su trazabilidad. También ayuda a la interpretación de los datos reales del comenta, a los obtenidos en la fase de calibración del instrumento e incluso a los datos descartados. El simulador de eventos, inicialmente diseñado para la verificación de consultas, posee el potencial necesario para ser utilizado en la simulación de flujos reales de partículas y producir conjuntos de datos diseñados para validar otras herramientas (distintas a GDB-GUI) dentro de la cadena de datos del instrumento. GDB-GUI ofrece a un usuario una interfaz capaz de realizar consultas clásicas a una base de datos relacional o bien crear reglas con componentes difusos, todo ello de forma visual y sin necesidad de conocer un lenguaje de consulta específico. La adaptación de GDB a otro sistema/instrumento es sencilla y requiere redefinir cuatro ficheros de texto, siendo uno de ellos opcional. El tratamiento de información difusa y deductiva que incorpora el modelo de base de datos, será especialmente útil en el análisis de los datos procedentes de GIADA. Las características propias del sistema de detección del instrumento, así como la degradación de los sensores durante una década de travesía espacial, implica que parte del conocimiento acerca del instrumento tienda hacia conceptos imprecisos: ¿eventos cercanos¿, ¿partículas lentas¿, ¿sensibilidad reducida¿. Las capacidades deductivas del sistema presentado, permitirán aportar nueva información sobre los datos ya procesados, con los que se podrá reevaluar los resultados obtenidos.