Kulisy programowania i testowania satelit - o projektach #Hype i #Puchacz

No i ten cel udało się osiągnąć, bo memy, wyświetlony na nim i selfie z memami też pojawiały się w internecie, więc myślę, że było słuchać rzeczywiście o Hypie, nie? Tak. Udało nam się na chyba reddicie jakieś kilka milionów wyświetleń Dosyć znanego mema Poland coming to space. Żeby to nie kosztowało naprawdę ogromnych sum, to wygląda tak, że wiele satelit leci razem na jednej rakiecie. Na takim starcie może być nawet ponad 100 satelit. I właśnie tak leciał Hype w ramach misji Transporter 12. Cześć! Witam w kolejnym odcinku Bity Parzystości. Dzisiaj porozmawiamy o technologiach kosmicznych.

Jak tworzy się satelity, jak powstaje oprogramowanie dla satelit i jak testuje się na Ziemi? Zapraszam bardzo gorąco. A moim gościem jest Przemysław Sosna, SatLab AGH. Cześć. Cześć. Powiedz, czym jest SatLab i co robicie na AGH z satelitami? SatLab AGH to jest koło naukowe działające na AGH. Istnieje od około dwóch lat i zajmujemy się właśnie tworzeniem nanosatelit, takie jak te, które przyniosłem tutaj ze sobą, czyli Hype, nasz pierwszy satelita i Puchacz, nad którym obecnie pracujemy. I Ty jesteś w zespole odpowiedzialny za oprogramowanie, embedded?

Co jeszcze występuje? W co musieliście się na przykład tutaj w jakiś sposób wpasować? Mówimy o nanostatelitach. Tak, bo w przypadku większych satelit to różnie wygląda, a w przypadku nanosatelit, takie jak my robimy, to są pewne standardy rozmiarów. Na przykład puchacz jest CubeSatem. CubeSat definiuje rozmiary w unitach, gdzie jedna taka jednostka to jest 10x10x10 cm, puchacz w tym przypadku ma 20x10x10, więc to jest CubeSat 2 unity. I takie CubeSaty to mogą być nawet do kilkudziesięciu U robione. Mam też z osobą właśnie Hype'a. Hype jest Pocket Cube'em, to jest trochę młodszy standard, mniejszy. I w przypadku Pocket Cube'a jednostka to jest 5x5x5 cm i też znowu tu może się składać z kilku takich kostek.

To powiedzmy, że to jest wielkości kostki Rubika. Ok, to może powiedzmy więcej. Może na początek na przykład o samym Hypie. Jaka była główna jego misja? No bo 5x5x5 cm to jest dość mało, chociaż w dzisiejszych standardach można zmieścić paradoksalnie dość dużo. On jest oparty o jeden mikrokontroler. Tak, w Hype znajduje się jedna STM32U5 dokładnego modelu, już niestety nie pamiętam i on steruje całością satelity. To masz nawet płytki ze sobą i to jest fizycznie jedna ze ścian i też chyba ta główna tutaj mówiłeś, że to jest komputer pokładowy.

Co musi się znaleźć na tego typu płytce? Bo akurat w wypadku tego projektu, czyli w wypadku Hype, wy odpowiadaliście za całość, więc tych systemów było trochę. Tak, w Hype całość płytek elektronicznych, oprogramowania została stworzona właśnie przez studentów. Generalnie na każdym satelicie jest jakiś zbiór podsystemów, które muszą się na nim znaleźć, choćby zaczynając od systemu zasilania EPS-u, który zasila całą satelitę, zarządza bateriami, kontroluje ładowanie z paneli. Musi też być oczywiście komputer pokładowy, który jest tym mózgiem całej satelity. Oprócz komputera pokładowego EPS-u też jeszcze jest ADCS.

Oprócz tego to jest jeszcze oczywiście system komunikacji, bo jakoś musimy się skomunikować z tym satelitą, który jest na orbicie. No bo bez tego byłby całkiem nieprzydatny. Jeszcze z takich innych rzeczy no to właśnie sama struktura mechaniczna, która w przypadku takiego Hype'a nie jest skomplikowana, no bo powiedzmy, że to jest tam kilka aluminiowych elementów w środku, do których są przykręcone płytki, no i te rozkładane anteny. W przypadku większych satelit to może być bardziej skomplikowane, bo może być już dużo więcej rozkładanych elementów. Które mogą być naprawdę bardzo skomplikowane. W naszym przypadku staraliśmy się unikać tego. No i jeszcze na koniec takich ważnych, nawet bym powiedział najważniejsza rzecz w przypadku satelity to jest sam ładunek.

Czyli to, co właściwie definiuje misję tej satelity lub tej sondy też kosmicznej, który nadaje cel tej misji. W przypadku satelit to może być w zasadzie wszystko, no bo Hype na przykład ma kamerę i spektrometr. Puchacz ma głównie kamery oraz jeden ładunek badawczy, radiacyjny, a jak sobie popatrzymy na satelity, jakie są na orbicie, to jest tam w zasadzie wszystko, od po prostu satelit telekomunikacyjnych po jakieś teleskopy. Tutaj to, co miał realizować w jakiś sposób Hype, no to ten element, który pewnie jest najbardziej taki wizualny i medialny, no to jest selfie camera, czyli na Hypie jest wyświetlacz, który jest w stanie wyświetlić obraz, który jest mu przekazany, a potem zrobić sobie selfie z tym wyświetlonym obrazem, co pozwala dać mu jakiś dowód funkcjonowania.

Tak, hype właśnie z uwagi na swój mały rozmiar. Nasza cała idea zanim była taka, że wyróbmy coś małego, prostego, fajnego. Coś, co jesteśmy my sami w stanie w 100% zrobić. To właśnie daje nam pewne ograniczenia, no bo do takiego małego satelity nie upchamy za dużo. No więc idea była taka. Starajmy się popularyzować kosmos i właśnie daliśmy mu ten wyświetlacz, o którym mówisz, na którym możemy cokolwiek w zasadzie wyświetlić, kamerę, która jest tutaj na końcu tego wysięgnika, powiedzmy. I on sobie mógł robić te zdjęcia. To też nie jest w 100% taki nowy pomysł, bo już w 2018 był podobny satelita.

Tylko, że tam niestety nie udało się tych zdjęć zrobić, bo się chyba wyświetlacz odkleił, z tego co pamiętam. My się tym zainspirowaliśmy, zrobiliśmy to samo i planowaliśmy. Żeby nie tylko wyświetlać jakieś memy, ale żeby na przykład można było wyświetlić, jak ktoś płaci coś na jakąś fundację, to żeby mógł sobie coś wyświetlić na tym satelicie. Albo żeby prowadzić warsztaty ze szkołami, gdzie to mogłoby po prostu, można by było wtedy sobie coś wyświetlić, zrobić takie zdjęcie. Chcieliśmy po prostu popularyzować kosmos, naukę, technologie kosmiczne. Przy czym ten wyświetlacz, kamera to nie był jedyny ładunek na Hypie, bo był tam też ten spektrometr, który pozwalałby nam badać różne po prostu rzeczy na Ziemi, takie jak indeks wegetacji, ilość planktonu w morzu i takie różne dane.

Okej. No i ten cel udało się osiągnąć, bo memy, wyświetlony na nim i serwis z memami też pojawiały się w internecie, więc myślę, że było słuchać rzeczywiście o Hypie, nie? Tak. Udało nam się na chyba reddicie jakieś kilka milionów wyświetleń dosyć znanego mema Poland Can You To Space. Ja byłem w ogóle zafascynowany, no bo mamy bardzo mocno ograniczone wymiary i tutaj potrzeba wielu bardzo ciekawych pomysłów. No i też jest kwestia, będziemy też pewnie przechodzić do tego, jak powstaje oprogramowanie, jak je testować, a Ty też podkreślałeś podczas prelekcji, że testowanie jest ważne, no w sumie tutaj nie ma za dużych możliwości, żeby coś poprawiać.

Więc w takich, ogólnie w systemach budowanych stosuje się systemy czasu rzeczywistego. Wtedy mamy po prostu taki bardzo prosty system operacyjny ze schedulerem. Program jest podzielony na taski, w zasadzie tak jak wątki. Powiedzmy, że każdy nawet taki task jest coś jak taki mini program w zwykłym systemie operacyjnym. I w przypadku Hype'a to każdy z takich tasków odpowiadał za jakąś funkcjonalność. Na przykład jeden odpowiadał za sterowanie radiem i przyjmowanie poleceń z Ziemi. Inny task odpowiadał na odczytywanie wartości z czujników temperatury, albo jeszcze inny odpowiadał za kamerę. I praktycznie każdy taki task mógł być adresowany z Ziemi.

I one komunikowały się kolejkami, żeby było to bezpieczne pod względem współbieżności. Możemy powiedzieć, jak w praktyce wyglądała ta misja, bo tu rzeczywiście też była historia dość mocno rozciągnięta w czasie, bo to w sumie cała obejmowała przynajmniej około dwóch lat. Hype fizycznie poleciał w kosmos. Jak to wszystko wyglądało? On poleciał na Falcon 9, czyli poleciał, też mogę powiedzieć, że tam była jakaś forma, nazwijmy to, matrioszki takiej satelitowej, no bo pewnie ta przestrzeń na samym Falconie to jest pewnie tam wielotonowa, a na samym końcu znalazło się urządzenie, które miało 5x5x5, nie? Tak, generalnie rakiety są tworzone do dużo większych ładunków, gdzie niektóre sondy kosmiczne albo satelity to są wielkości autobusu, dosłownie.

A jednak Hype czy Puchacz są znacznie, znacznie mniejsze. I żeby to nie kosztowało naprawdę ogromnych sum, to wygląda tak, że wiele satelit leci razem na jednej rakiecie. Na takim starcie może być nawet ponad 100 satelit. I właśnie tak leciał Hype w ramach misji Transporter 12. Tylko to nie jest tak, że się bezpośrednio z tym Launch Providerem głównym umawia w tym przypadku SpaceX, tylko jest jeszcze wiele podwykonawców. W przypadku Hype'a to były aż dwie firmy między nami a SpaceXem, bo my korzystaliśmy z usług firmy Alba Orbital. Oni dostarczali taką właśnie po prostu małą wyrzutnię na kilka takich pocket cube'ów, które tam były zaczepione na szynie.

No a później podczas samego startu, no to powiedzmy, że sam start taki aż od momentu po prostu startu do osiągnięcia orbity to jest powiedzmy te kilka godzin, po których zaczyna się deployowanie, wyrzucanie tych różnych satelit. Przy czym u nas to było trochę dłużej, bo u nas najpierw ten statek Ion STV od Diorbita musiał się odczepić od Falcona. A dopiero później jeszcze my czekaliśmy kilka dni, aż doszło na tą docelową orbitę i zacznie się deployment tych mniejszych satelit, między innymi Hype'a. No i obserwowaliście to, bo na AGH macie też miejsce do kontroli tego typu lotów, no bo potem kontrolowaliście parametry.

Przy czym ta komunikacja to nawet nie jest tak, że my ją odebraliśmy, bo satelity, przynajmniej ta nasza, generalnie większość, można ustawić tak, żeby wysyłały jakieś bikony co jakiś czas. W przypadku Hype'a to on co 30 sekund wysyłał informację taką, że hej, ja żyję, mam taką temperaturę, tyle razy się restartowałem, tyle mam napięcia, troszkę takich innych przydatnych danych. I my korzystaliśmy z TinyGS. To jest taka sieć radioamatorów na świecie, gdzie dosłownie każdy sobie może dołączyć, wystawić sobie jakąś tam antenkę podpiętą do mikrokontrolera na przykład na balkon.

Tak, niestety w Hype'ie było kilka bugów, których wcześniej przed oddaniem nie zauważyliśmy. Pierwszym takim bugiem było to, że po jakimś czasie niektóre czujniki zaczynały zwracać złe wartości. Był to czujnik napięcia na baterii i czujnik temperatury głównej płytki. Generalnie bardzo ważne czujniki, jeśli chodzi o operacje satelitarne, bo znajomość stanu baterii jest bardzo ważna, bo na podstawie tego podejmuje się decyzje. W jaki tryb satelity przejść, czy może mieć wszystko załączone, czy powinien przejść w tryb bezpieczny, w którym tylko najważniejsze rzeczy są załączone, żeby się podładował. Więc my ten bug wcześniej znaliśmy, troszkę wcześniej go poznaliśmy i podjęliśmy decyzję, żeby zrestartować po prostu satelitę, bo to by naprawiło, zrestartowałyby się te czujniki i dalej by po prostu już działały poprawnie.

Na przykład cykle termiczne, które w przypadku Hype'a to były zmiany od minus 20 do plus 20 stopni, to już jesteśmy w stanie otworzyć w laboratorium, na przykład w komorze klimatycznej albo nawet w termicznej komorze próżniowej, w której możemy wytworzyć próżnienia, a na dodatek nagrzewać lub ochładzać takiego satelitę. Też są jeszcze takie kwestie jak choćby promieniowanie, które na orbicie jest jednak większe niż na Ziemi przez to, że mamy atmosferę. A przy czym na samej orbicie takiej niskiej ono jeszcze nie jest aż tak duże jak gdzieś wyżej, bo wciąż chroni nas pole magnetyczne Ziemi. No to powiedzmy teraz jeszcze o tym, co dalej, no bo już planujecie kolejny lot i tu jest właśnie Puchacz, ty masz ze sobą właśnie ten model.

On tak mniej więcej będzie wyglądał. On już jest, szybko licząc, 6, nie wiem, objętościowo więcej, jest większy, jest już 10 na 20. I będzie zawierał już trochę więcej elektroniki, bo już będzie oparty o kilka mikrokontrolerów, no ale będzie mógł też realizować więcej funkcji. Możesz powiedzieć coś więcej właśnie, co on może mieć, na jakim jesteście etapie i kiedy jest planowany lot? No to tak, tak jak mówiłeś jest on większy, aż 16 razy większy, bo właśnie 20 na 10 na 10, zmieścilibyśmy 16 takich Hype'ów w środku teoretycznie. Jest on też już dużo powiedzmy poważniejszą misją, bo mamy tu... jego głównym celem to są już badania i...

Odpowiada za przesyłanie danych z kosmosu na Ziemię, bo tutaj też już potrzebujemy, z uwagi na to, że te zdjęcia będą dużo większe niż w przypadku Hype'a, potrzebujemy znacznie szybszych prędkości przesyłu, żeby to być w stanie jakoś w sensownym czasie pobrać te zdjęcia. My w tym przypadku jesteśmy właśnie takim integratorem, bo integrujemy różne części satelity w całość. Choćby właśnie te kupne elementy, ten ładunek robiony przez firmę Sigma Labs i też nasze własne ładunki naukowe, czyli kamery, laser. Super, no jestem właśnie bardzo ciekaw też tych elementów na przykład, bo to mówisz, że też za tym muszą też powstawać elementy naziemne.