Prvý štvrťrok skCUBE na orbite

Po dlhoročnej práci a čakaní 1. slovenská družica skCUBE vyštartovala dňa 23. júna 2017 do vesmíru na palube indickej nosnej rakety s označením PSLV-C38 spolu s ďalšími družicami. Krátko po uvedení na orbitu a oddelení od štvrtého stupňa, družica spustila svoje systémy a prešla do aktívneho režimu. Tridsať minút po oddelení došlo k otvoreniu komunikačných antén a už približne hodinu a pol od zážehu raketových motorov boli ruským rádioamatérom R4UAB o 07:28 LSEČ zachytené prvé signály.  Družica automaticky znížila počiatočnú rotáciu a čakala na pokyny z riadiaceho strediska. Od tohto momentu nepretržite vysiela na Zem dátové pakety, ktoré obsahujú údaje z palubných systémov, senzorov a experimentov. Informácie, ktoré majú pre technický tím cenu zlata. Po 15 dňoch došlo na družici skCUBE k prvému problému, ktorý spôsobil čiastočné obmedzenie funkcie družice. Problému sme sa venovali v tlačovej správe zo dňa 10. júla 2017. V tomto článku by sme radi zhrnuli stav družice a udalosti, ktoré sa udiali v prvých troch mesiacoch od štartu družice do vesmíru.

Družica za prvé tri mesiace na orbite vykonala viac ako 1350 obletov okolo Zeme, čo je zároveň aj počet nabíjacích cyklov palubných akumulátorov. Pre porovnanie, uvedený počet nabíjacích cyklov zodpovedá približne trojročnému používaniu mobilného telefónu. Za tento čas nedošlo k jedinému výpadku ani reštartu, čo značí veľmi dobrý stav napájacieho zdroja, akumulátorov a solárnych panelov. Túto dobrú kondíciu potvrdili aj data z prvých dní. Kapacita akumulátorov aj počas letu družice na neosvetlenej časti orbity neklesala pod 97 percent. Skvelú prácu na palubnom zdroji odviedla slovenská technologická firma RMC, s.r.o. V roku 2015 si palubný zdroj odniesol cenu “Unikát roka” na veľtrhu Elosys.

 

Obr.1: Palubný zdroj družice skCUBE ako unikát roku 2015. Zdroj: RMC, s.r.o.

 

Palubná vysielačka (TRX) pracuje rovnako nadmieru dobre. Počas prvého kvartálu nedošlo ani k jednému výpadku, či reštartu. Vysielačka odvysielala smerom k Zemi viac ako štvrť milióna dátových packetov a takmer stotisíc viet v morzeovom kóde. Počas uplynulých mesiacov zaslalo svoje hlásenia a pozorovania množstvo rádioamatérov z najrôznejších svetových krajín. Najviac aktívnymi “prijímateľmi” signálov z skCUBE sú na prvom mieste, samozrejme, slovenskí, nasledujú japonskí a na tretom mieste zhodne nemeckí a poľskí rádioamatéri. Pomocou palubnej vysielačky sme vykonali množstvo experimentov a zaujímavých aktivít. Medzi ne patrí najmä opakované spúšťanie palubného digipeateru. Ten slúži na spojenie medzi dvoma rádioamatérmi prostredníctvom družice v kozme, ako je to uvedené na obrázku číslo 2.

 

Obr.2: Jednoduchá schéma digipeateru

 

K historicky prvému obojsmernému spojeniu prostredníctvom družice skCUBE došlo dňa
28. júla 2017 medzi slovenským rádioamatérom OM1LD a nemeckým DK3WN. Samotné správy si môžete pozrieť nižšie.

 

20170728192734: fm OM1LD to CQ via OM9SAT ctl UI^ pid F0
DK3WN de OM1LD via skCUBE digipeater = Hi Mike = 28. july 2017 = Greetings from space = BA55 73 Robo (JN88) =

20170728193115: fm DK3WN to CQ via OM9SAT ctl UI^ pid F0
QSL – OM1LD de DK3WN – Thank you Robo – 73 Mike DK3WN

20170728193526: fm OM1LD to CQ via OM9SAT ctl UI^ pid F0
DK3WN de OM1LD via skCUBE digipeater = Hi Mike = 28. july 2017 = Greetings from space = BA55 73 Robo (JN88) =

 

Report z prvého spojenia si môžete prečítať aj na blogu DK3WN na adrese: http://www.dk3wn.info/p/?p=81744. Ďalšie úspešné spojenia vykonali napríklad aj japonskí rádioamatéri JA0CAW, JA6PL a JA5BLZ, viď. obrázok č. 3.

 

Obr.3: Screenshot zo softvéru soundmodem v ktorom sú zachytené správy japonských rádioamatérov

 

Medzi zaujímavé aktivity súvisiace s palubným rádioamatérskym opakovačom určite môžeme zaradiť aj nasledovnú správu, poslanú cez družicu skCUBE:

 

Obr.4: Správa poslaná cez družicu skCUBE astronomickej expedícii Perzeidy v obci Vrchteplá

 

Správa bola určená pre astronomickú expedíciu Perzeidy počas maximovej noci meteorického roja dňa 12. augusta v obci Vrchteplá, kde sa konal už jej v poradí 31. ročník. Priamo na mieste ju zachytil rádioamatér Adam OM7AAK pomocou vlastnoručne vyrobenej antény a rotátoru.

Na naše prekvapenie, možnosť spojenia cez 1. slovenskú družicu nevyužili žiadni ďalší slovenskí rádioamatéri. Digipeater je spúšťaný pravidelne, prípadne na žiadosť rádioamatérov. Pokiaľ máte záujem, prosím, kontaktuje technický tím na adrese skcube(zavináč)sosa.sk.

Pri téme rádiová komunikácia a príjem ešte na chvíľku zostaneme. Slovenská organizácia pre vesmírne aktivity (SOSA) na svojich stránkach vydáva sériu článkov, ktorá má záujemcom objasniť základné princípy a naučiť ich, ako komunikovať s družicou v kozme.

 

Medzi ne patria napríklad nasledovné články:

 

Už spomínaný člen SOSA a rádioamatér Adam OM7AAK použil postupy uvedené na stránkach projektu SATNOGS na výrobu rotátora a antény pomocou 3D tlače. Uvedené skúsenosti a návod na výrobu tohoto zariadenia určeného na družicový príjem v domácich podmienkach mapuje v seriáli na portáli kozmonautika.sk. Prvý diel seriálu s názvom “Doma vyrobený rotátor pre satelitný príjem – projekt Satnogs”, si môžete prečítať na adrese:  http://kozmonautika.sk/2017/08/31/doma-vyrobeny-rotator-pre-satelitny-prijem-projekt-satnogs-diel-prvy/.

V auguste SOSA využila príležitosť a na plánovanú výskumnú expedíciu na Špicbergy, ktorej sa zúčastnila predsedníčka Michaela Musilová, poslala všesmerovú anténu, malý počítač a rádiový prijímač v rámci testu jednoduchej a prenosnej platformy na príjem malých družíc. Poloha blízko pólu je veľmi výhodná pre príjem signálov z družíc na polárnej orbite, medzi ktoré patrí aj družica skCUBE. Ako software pre riadenie a príjem bol opäť použitý software projektu Satnogs a kustomizovaný software z dielne SOSA. Tento dočasný experiment nám priniesol veľké množstvo skúseností a nápadov na zlepšenie. Pokiaľ by išlo všetko podľa plánu, podobnú polárnu rádiovú prijímaciu stanicu by sme chceli v meste Longyearbyen umiestniť od budúceho roka nastálo, kde bude slúžiť pre príjem družice skCUBE, ale bude pomáhať aj so zachytávaním signálov množstva ďalších družíc a tým k rozvoju medzinárodnej spolupráce v oblasti nanosatelitných technológií. Vďaka tomuto experimentu sme nadviazali komunikáciu priamo s tvorcami projektu Sanotgs a do budúcna sa chceme podieľať na vývoji a testovaní tejto veľmi zaujímavej platformy. Za nasadenie pri tomto experimente by som sa chcel menovite poďakovať Rudolfovi Slošiarovi, Maksimovi Rezenovovi, Liborovi Lenžovi a samozrejme Miške Musilovej zo SOSA.

 

Obr.5: Dočasná polárna rádiová stanica SOSA na Špicbergoch

 

Slovenská organizácia pre vesmírne aktivity (SOSA) v spolupráci s Leteckou fakultou TUKE započala výstavbu pozemnej rádiovej stanice na uvedenej fakulte. Počas leta bol na strechu Leteckej fakulty umiestnený stožiar s rotátorom a anténami pre pásmo 70cm a 2m. V súčasnej dobe prebieha finalizácia anténneho systému a onedlho bude uvedená do prevádzky. Stanica bude slúžiť študentom fakulty v rámci vznikajúceho laboratória kozmickej elektroniky a komunikácií. Študenti tak budú mať neopakovateľnú možnosť vyskúšať si obojsmernú komunikáciu priamo s 1. slovenskou družicou a získať tak množstvo skúseností a znalostí z oblasti družicovej komunikácie. Vybudovanie rovnakého anténneho systému je v pláne aj na pôde Fakulty Elektrotechniky a informatiky STU v Bratislave, kde sídli hlavná pozemná stanica projektu skCUBE.

 

Obr.6: Stožiar a antény na streche budovy Leteckej fakulty TUKE

 

Z informácií, ktoré nám posiela vysielačka na palube skCUBE môžeme povedať, že teplota systémov sa pohybuje v bezpečnej oblasti. Minimálna teplota sa v maximách pohybuje na úrovni -10° C, maximálna dosahuje hranicu +10° C, viď. obr. 7.
Sme veľmi radi, že návrh hardvéru vysielačky sa v nehostinných podmienkach vesmírneho vákua osvedčil.

 

Obr.7: Teplota procesora a koncového stupňa vysielačky modulu COM

 

Po problémoch s palubným počítačom a výpadku časti packetov začal technický tím hľadať alternatívne možnosti využitia družice. Vysielačka, okrem svojej primárnej funkcie, dokáže zaznamenávať napríklad aj hodnoty RSSI noise, teda úroveň signálu v pásme 70cm nad povrchom Zeme, ktorého spracovaním sa momentálne zaoberá člen SOSA, Matúš Kocka.

 

Obr.8: Poloha družice v čase poslania packetov COM

 

Na prvom grafe (obr. 8) vidíme polohu družice v momente poslania COM packetu. Do úvahy bola braná len polovica packetov od dňa štartu do 10. 9. 2017. Na tomto grafe môžeme vidieť aj hraničné zóny, kedy sú naše anténne systémy schopné zachytiť packet z družice. Pri dobrých podmienkach je možné s družicou komunikovať pri elevácii 1 stupeň (nad ideálnym horizontom).

 

Obr.9: Hodnota RSSI noise (rádiový signál v pásme 70cm) v závislosti na zemepisnej šírke

 

Na obr. 9 vidíme hodnotu RSSI noise v závislosti na zemepisnej šírke zo všetkých prijatých packetov (k dátumu 10. 9. 2017). Momentálne pracujeme na analýze týchto dát a ich rozdelení do zaujímavých skupín. Zaujíma nás napríklad to, ako sa mení hodnota šumu v pásme 70cm počas dňa, alebo aký vplyv má na tento šum nedávna veľmi silná magnetická búrka.

V nasledujúcom grafe (obr. 10) je vytvorená heatmapa preložená cez mapu Európy. Je tak možné vidieť miesta, kde dochádza k najsilnejšiemu rušeniu. V grafe je medián intenzity za celé obdobie na ploche 1 štvorcový stupeň a jedná sa o prvú, predbežnú, pracovnú verziu. Avšak na zostavenie vierohodnej mapy rušenia budeme pravdepodobne potrebovať ešte viac preletov. Vyzerá to tak, že meranie rušenia môže poskytnúť zaujímavé výsledky.

 

Obr.10: Heatmapa rušenia v pásme 70cm (pracovná verzia)

 

V blízkom období plánujeme ďalšie zaujímavé aktivity. Informácie budeme postupne zverejňovať na portáli kozmonautika.sk.

Po vypustení na orbitu získala družica náhodnú rotáciu vo všetkých osiach. Pre malé družice je schopnosť spomaliť počiatočnú rotáciu kľúčová. Obmedzenie rotácie družice zabezpečí lepšie podmienky pre komunikáciu. Schopnosť zastaviť rotáciu a natočiť družicu požadovaným smerom je nevyhnutná pre plnenie náročnejších úloh. Príkladom môže byť presné sledovanie povrchu Zeme, alebo použitie antén s úzkym vyžarovacím lalokom. Spomalenie prvotnej rotácie je úlohou s vysokou prioritou. Od úspechu tohto kroku závisí stabilita komunikácie a teda aj možnosť riadiť družicu zo Zeme. Na palube skCUBE sú pre potreby zistenia polohy družice tri rozdielne detektory: magnetometre, gyroskopy a tzv. sun senzory (experimentálne aj earth senzory). Po aktivovaní satelitu skCUBE bol automaticky spustený systém spomalenia počiatočnej rotácie. Tento systém využíva pre svoju činnosť údaje z palubných magnetometrov a trojicu elektromagnetických aktuátorov. Údaje z gyroskopov, ktoré naznačovali jeho správnu činnosť, sme predstavili už v prvom článku na adrese: http://kozmonautika.sk/2017/06/30/prve-udaje-z-druzice-skcube/ . Detailnejšiemu rozboru týchto údajov sa venoval Miroslav Šmelko z Leteckej fakulty TUKE. Nasledujúce grafy (Obr. 11 a 12) predstavujú spomaľovanie rotácie satelitu v osiach X a Y.

 

Obr.11: Spomaľovanie rotácie družice v osi X (pracovná verzia)

 

Obr.12: Spomaľovanie rotácie družice v osi Y (pracovná verzia)

 

Extrapoláciou nameraných dát do času vypustenia satelitu na orbitu môžeme odhadnúť počiatočnú rotáciu satelitu v osi X na 1,1 stupňa za sekundu a v osi Y na 1,5 stupňa za sekundu. Časový vývoj veľkosti rotácie naznačuje, že k spomaleniu počiatočnej rotácie došlo v priebehu dvoch dní. Následne bol automatický systém spomalenia rotácie vypnutý povelom zo Zeme. Nameraná rotácia v osi Z vykazuje skokové zmeny veľkosti rotácie, čo nezodpovedá reálne možnému pohybu satelitu. Tieto dáta zatiaľ nevieme spoľahlivo interpretovať. Uvedené priebehy v osiach X a Y dokazujú správnu činnosť systému, ktorého vývoju sme venovali množstvo času. Pre potreby testovania tohto systému sme vyvinuli špeciálne systémy na testovanie v pozemských podmienkach. Táto práca sa vyplatila a systém stabilizácie sa osvedčil ako vhodný pre malé družice na nízkej obežnej dráhe Zeme.

Pavol Lipovský z Leteckej fakulty TUKE pracuje na programe, ktorý spracováva namerané dáta z magnetometrov a sun senzorov. Program má za úlohu analyzovať priebeh orientácie družice v priestore a čase a tiež rýchlosť rotácie v jednotlivých osiach. Tieto informácie sú potrebné pre presné riadenie polohy družice. Keďže sa na družici vyskytla porucha, zatiaľ nebola táto funkcia otestovaná.

Chceli by sme veľmi poďakovať Matejovi Nemčekovi a Ivane Zemanovičovej z bratislavského hackerspace Progressbar, ktorí sa podujali a začali vyvíjať serverovú časť a klienta tzv. skCUBE collectoru. Tento software má za úlohu zbierať pakety z družice od radioamatérov na jedno miesto, aby mohol mať následne ktokoľvek prístup k raw a dekódovanym paketom z družice. Následne bude server poskytovať jednoduché API na rôzne analýzy a vizualizácie dát z paketov. Prínosom tohto softwaru je jednoduché zbieranie paketov z celého sveta a zaručenie kontinuálnejšieho priebehu dát. V ďalších fázach by chceli pridať dopĺňanie paketov zo Satnogs databázy, doplniť chýbajúce skCUBE packety do databázy a dopĺňanie z Collectoru do Satnogs.

Klientská časť je dostupná ako desktopová aplikácia (Electron) pre Linux, Windows a OSX.

Pre parsovanie GSR paketov sme napísali parser, ktorý je zverejnený ako npm modul na npmjs.org s názvom gsr-parser a je možné ho voľne použiť v iných projektoch.

Projekt je možné nájsť na https://github.com/yangwao/skCube-data-collector – contributions a pomoc s testovaním klienta sú vítané.

Aktuálne je možné data z družice nájsť na adrese: https://data.skcube.sk/

 

Zaujímavé je taktiež sledovať ako sa jednotlivým cubesatom vypustených z tej istej nosnej rakety PSLV-C38 časom mení orbita. Je to neklamným dôkazom toho, že aj vo výške 500km, vysoko nad oficiálnou hranicou vesmíru, tzv. Karmanovou líniou, sa ešte stále nachádza extrémne riedka atmosféra Zeme a na jednotlivé družice teda pôsobí síce nepatrné, ale predsa aerodynamické trenie. Simulácie naznačujú, že orbitálna životnosť, teda doba, pokiaľ družica skCUBE zhorí v atmosfére Zeme, by sa mohla pohybovať na úrovni cca 5 rokov. Pozrime sa, ako sa zmenila orbita za prvý štvrťrok.

 

Vybrané parametre dráhy z obdobia tesne po štarte:

Perigeum: 496.8119 Km
Apogeum: 510.7010 Km
Čas obletu Zeme: 01:34:41.66

 

Vybrané parametre dráhy podľa najaktuálnejších orbitálnych dát:

Perigeum: 495.5821 Km
Apogeum: 510.1671 Km
Čas obletu Zeme: 01:34:40.56

 

Z uvedeného vyplýva, že perigeum dráhy (bod dráhy najbližšie k Zemi) družice sa znížilo o 1,2 Km a apogeum (bod dráhy najďalej od Zeme) o 0,53 Km. Jeden oblet okolo Zeme družica vykoná o približne sekundu rýchlejšie. Už po troch mesiacoch je teda badateľná zmena v orbitálnych parametroch. V súvislosti so sledovaním zmien orbity plánujeme vykonať viaceré simulácie a porovnávať ich s reálnymi hodnotami z vesmíru.

 

Obr.13: družica skCUBE na orbite. Aktuálnu polohu môžete sledovať naživo na adrese: https://3d.skcube.sk

 

Paralelne so všetkými uvedenými aktivitami a mnohými ďalšími, prebiehajú neustále práce na analýze a možnostiach riešenia problému, ktorý sa na družici 15 dní po štarte vyskytol. V prvom rade bolo potrebné vytvoriť ďalší prototyp družice a čo najviac sa priblížiť podmienkam sesterskej družice vo vesmíre, aby bolo možné nasimulovať prípadnú chybu. Riešenie tohto problému si vyžaduje neustály prístup k všetkým komponentom družice. Do dnešného dňa nebola odhalená žiadna chyba, ktorá by mohla súčasný stav zapríčiniť. Ako hlavným podozrivým tak stále zostáva radiácia, resp. zasiahnutie niektorej z kritických častí palubného počítača družice nabitou časticou.

Po riadnom odskúšaní všetkých variant riešenia problému na družici v laboratóriu budú nasledovať pokusy na “ostrej družici” vo vesmíre. V súčasnom stave, v ktorom uviazla komunikácia medzi palubnou vysielačkou COM a palubným počítačom OBC, nie je možné poslať príkaz na spustenie palubnej kamery, či experimentu VLF.

Sami, na vlastnej koži sme sa mohli presvedčiť o tom, čo často hovorí jeden z najväčších vizionárov na svete, šéf spoločnosti SpaceX, Elon Musk: “Space is hard”. Aj keď niekedy spravíte všetko správne a tak ako sa má, vo vesmíre potrebujete aj dávku šťastia. Opäť sme sa v tom mohli utvrdiť aj v auguste, pri lete indickej rakete PSLV-C39. Jednalo sa o rutinný let, ďalší v poradí po lete, ktorý dopravil na orbitu 1. slovenskú družicu (PSLV-C38). Pri tomto lete pravdepodobne zlyhali zámky aerodynamického krytu, družica zostala uväznená a navyše sa raketa dostala na príliš nízku orbitu. Misia za niekoľko stoviek miliónov EUR bola nenávratne stratená.

Všetky informácie, dobré, ale aj zlé skúsenosti nás posúvajú míľovými krokmi ďalej. Prvá slovenská družica, znalosti a skúsenosti z vývoja a riadenia družice nám dláždia cestu k ďalším zaujímavým projektom v budúcnosti. Momentálne si však želáme ešte veľa ďalších štvrťrokov a veľa informácií z obežnej dráhy Zeme.

Per aspera ad astra.

 

Zdroje:

  • https://twitter.com/search?q=skcube&src=typd
  • http://wakky.asablo.jp/blog/2017/08/07/8641733
  • http://www.dk3wn.info/p/?p=81972