人造衛星 UPSat 也開放原始碼?

作者 | 發布日期 2017 年 07 月 01 日 12:00 | 分類 尖端科技 , 軟體、系統 follow us in feedly

開源碼軟體很難用,開源作業系統佔有率很低,只有 Windows 才是王道啦!!相信很多人至今仍有這個錯誤印象,實際上在這個時代,智慧家庭幾乎完全仰賴 open source──家家戶戶的 Wi-Fi 無線基地台、數位電視機上盒、Android 手機或平板、智慧語音管家(Amazon Echo、Google Home)等,裡面都有個 Linux;iPad、iPhone、iMac、MacBook 裡面的系統也是衍生自開源的 FreeBSD 系統,再加上壓倒性採用開放原碼的網頁伺服器、雲端服務等,沒有了開源軟體,現代人還真不知道要如何生活下去呢。如今更厲害的來了,開源碼軟硬體增加了生力軍──人造衛星 UPSat 。



UPSat 是一顆 2U 的微型方塊衛星(20×10×10cm,外太空部署微型衛星的單位跟電腦主機類似),任務是電離層電漿密度的科學研究,由自由太空基金會(Libre Space Foundation)與希臘派特雷大學(University of Patras)合力開發且共同營運。它的尺寸不大,就像一台小電腦主機,設計上,所有的軟硬體完全排除了商用元件,全部以開源的軟硬體從頭開始打造起。

過去大眾印象裡,送衛星上太空是很重大的任務,要先用火箭把太空梭專程發射到外太空,然後太空梭再飛到指定的軌道,打開肚子,把巨大的衛星卸載出去,然後太空人離艙,進行危險的太空漫步把衛星設定好,這顆衛星才能開張營運;現在有了微型衛星以後,送衛星上太空比較像是貨運宅配到軌的概念,而且過程幾乎全自動,甚至還可以回收衛星,不用像過去,太陽能板壽限到了,電力耗盡後只能變成太空垃圾,在掉回地球的過程中燒毀。

首先是在 4 月 19 日,這顆衛星搭載於 Orbital ATK Cygnus 自動貨櫃太空船(當然是集貨好的,一次裝載 150 單位的貨物)用火箭發射升空,送到國際太空站(International Space Station);在站裡,會有專人管理配送的作業(類似宅配業者的營業所),這是全程唯一需要人工的地方;再於 UTC 時間 5 月 18 日早上 8:24 透過 NanoRacks 的方塊衛星部署器從太空站發送到指定軌道(一次可以部署超過 40 顆方塊衛星)。30 分鐘後,地面的接收站就成功地開始收到 UPsat 無線訊號,這開啟了開放源碼軟硬體在太空應用的里程碑,這使得打造微型衛星的困難度大為下降,太空科技的運用將更加普及。

▲ 4 月 19 日火箭發射到 Cygnus 太空船在太空中開始飛行的全程錄影。

▲ nanoracks 方塊衛星部署器的配送過程。

當然這個衛星的原始碼真的是開放的,全部放在自由太空基金會的 GitHub 上,授權有 CERN OHLv1.2 與 GPLv3等。結構上,這衛星小歸小,不過麻雀雖小五臟俱全。它由六大子系統組成:

  • EPS:Electrical Power Subsystem ,供電子系統的縮寫,負責把太陽能模組轉化的電力,供電到各系統,或者太陽能供電不足時,轉用內部電池。
  • OBC:On Board Computer 的縮寫,這是 UPSat 衛星的大腦, 它負責了於所有核心飛行功能,並執行所有子系統的主要決策和監控,STM32F4 微處理機是其心藏,其作業系統是 FreeRTOS( 開放源碼的即時作業系統)。
  • COMMS:Communications Subsystem ,通訊子系統的縮寫,顧名思義,這是負責通訊的,核心是 CC1120 通訊晶片。衛星上所有系統內與發送到地面站的的資訊封包都使用 ECSS-CCSDS(定義在 ECSS-E-70 裡 )。
  • IAC:Image Acquisition Component ,影像取得模組的縮寫,這是一個嵌入式 Linux 機板──DART4460 ,運作一個客製化 OpenWRT 系統,相機是一個 USB Ximea MU9PM-MH。
  • SU:Science Unit ,科學元件的縮寫,在衛星的最頂端,透過 4 根探針分別收集電流,即時測量出電漿密度,測量電流範圍從 1nA 至 2μA。
  • ADCS:Attitude Determination and Control Subsystem,姿態穩定與控制系統,基於磁力計的 3 軸主動系統,以安裝在衛星四面太陽能電池板背面的矩形磁性線圈(x4)產生控制力矩。磁性線圈之所以安裝在太陽能板背面,是因為可以透過太陽能板計算出陽光角度,來旋轉調整衛星,此外還有 GPS 可以修正 SGP4 數值,與精準的時間更新。

有興趣的話,按照這些縮寫索驥,就可以研究對應的原始碼,當然你有錢有閒的話也可以自己打造一顆(當然要發射到太空,問題只在運費囉)。

關於自由太空基金會

自由太空基金會是一個致力於開發自由太空硬體的組織(Libre Space Foundation)。它誕生於第一屆 Hackaday 獲獎的 SatNOGS 專案,是人人可以 DIY 的開源小型衛星地面站,硬體部分是一般人容易取得的材料、一般商用電子產品(Raspberry Pi 3 機板 + Linux 桌面系統等)與一點點的 3D 列印,就能組裝出自己的小型衛星地面站,接收來自低地軌道(Low Earth Orbit,縮寫 LEO)衛星的數據。訊號上,預設是支援 VHF、UHF 頻帶,擴充到其他頻帶也很容易,此外還可以把數個 SatNOGS 地面站以網路通訊整合程 SatNOGS Network,透過全球的 SatNOGS 地面站網路能更方便地接收特定衛星訊號,這讓衛星資料數據的運用範圍變得更廣泛,使用衛星不再是特定單位或公司的專利了。

(Source:Libre Space Foundation

現在你只要DIY 打造出一台自己的 SatNOG 地面站,把頻率調到 435.765 MHz,當 UPSat 衛星不在命令控制模式時,你就可以接受到來自它的數據,在家也可以當個太空科學家囉。

另外,這次的火箭發射,還有個創舉,NASA 第一次提供了 360 度的發射影片(不過發射離開底座時,有幾秒的畫面不幸沒錄到),另外這影片發射時非常大聲,請留意音量。

(首圖來源:Flickr/Libre Space Foundation CC BY 2.0)