Morsearkæologi

Ligesom grønt er godt for øjnene er peer reviewed artikler godt for en universitetskarriere. Det er derfor med stor fornøjelse, at jeg kan linke til en artikel om DTUsat-2 som jeg har forfattet. Jeg har selv formuleret spørgsmålet, udviklet metoden til at finde svaret og fundet en egnet journal. Særligt den sidste opgave tager længere tid end man skulle tro.

Artikler og forskning har ofte ophav i en undren

Det startede med at jeg undrede mig over satellittens opførsel. Det mystiske bestod i beacontællerens værdi. Beacontælleren tæller som navnet antyder beacons, det vil sige hver gang satellitten sender et beacon afslutter den med: "Dette var beacon nummer x siden sidste re-boot." I udgangspunktet er det utrolig simpel information, det er blot et tal. Efter et re-boot sender den altså: "0", i næste beacon sender den et "1" og derefter: "10", "11", "100", "101", osv.

Satellitten er programmeret til at sende et beacon hvert 30 sekund og der er to "kilder" til beacons. Det vil sige to systemer kan generere et beacon: computeren og radiosystemet. De er uafhængige af hinanden og de er sat til at skiftes om at sende beacons. Altså først sender radioen et beacon, så er det computerens tur, dernæst radioen osv. Hvis det ene system af en eller anden årsag ikke genererer et beacon overtager det andet system pladsen.

Det er kun radioens beacon jeg har anvendt i min analyse af satellitten af den simple årsag at det er Morse kodet. Fordelen ved Morsekode er, at det kan afkodes af det menneskelige øre direkte. Båndbredden er latterlig lav og det koster meget energi, men det er robust kommunikation. Det menneskelige øre er langt mere støjtolerant end traditionel FSK modulering. Prøv selv at lytte efter beacons i støj her - scroll ned til bunden af siden.

Artiklens spørgsmål eller: Hvad er det med den beacontæller?

Det undrede mig at værdien var cirka den samme hver gang satellitten kom over horisonten sydfra og at værdien var tæt på nul - hvilket indikerer et nyligt boot (vi lytter normalt ikke når den kommer nordfra fordi det er sen aften).

Tælleren bruger binære tal og der er afsat 15 bits til tælleren. Når tælleren når 111111111111111 ruller den over og starter på 0. Da der er 30 sekunder mellem hvert beacon sker det altså efter cirka 22,7 dage, hvis begge systemer kører. Er det kun radioen, der kører sker det efter cirka 11,4 dage. En ting er at satellitten genstarter, men hvilken mekanisme faselåser genstartet til satellittens kredsløb og kan den mekanisme være med til at afklare hvad der sker med DTUsat-2?

Det var spørgsmålet.

Artiklens metode: Hvordan kan tælleren afsløre noget?

Trickene - der er to - er at beaconnet udsendes med fast interval og at satellitten er i sol-synkron bane. Satellittens hastighed er fastlag af banefysikken (indenfor de tolerancer der er relevante her), derfor kan 30 sekunder oversættes til en afstand. Hvis f.eks. det første beacon vi hører har nummer 10 (et-nul) og computeren kører så er det altså 2½ minut siden af satellitten genstartede (30 sek til første beacon fra radioen, dernæst 30 sek til beacon fra computeren osv). Det kan nu omsættes til en afstand, går man den afstand baglæns i banen finder man stedet hvor genstart indtraf.

For at lave et mønster på et kort, der kan give et hint til hvad årsagen er, skal der mange beacons til. Det tager tid at indsamle data og efterfølgende skal en optagelse korreleres med en position - og nej vi har ikke software beregnet til den opgave. Det er heller ikke en triviel opgave. Så hvad gør man så? Her kommer andet trick ind, den solsynkrone bane.

Solsynkron bane

At banen er solsynkron betyder, at den er låst til vektoren, der udspændes af Solens centrum og Jordens centrum. Altså baneplanets normalvektor er låst til Sol-Jord vektoren, se figuren nedenfor.

Henover året forbliver normalvektoren altså låst til Sol-Jord vektoren. Da det er Sol-Jord vektoren, der bestemmer klokken på Jorden er der altså en korrelation imellem klokkeslettet og banen. Det er forsøgt illustreret på næste figur - bemærk urskiven der omkredser Jorden.

Korrelationen er den simple at baneplanet står stille på den urskive Sol-Jord vektoren fastlægger. Man skal altså forestille sig at Jordens rotation er viseren på et ur hvis urskive ligger rundt om Jorden således at klokken 12 ligger på vektoren (linien), der går mellem Solens og Jordens centrum. På den urskive ligger DTUsat-2's bane også fast. Nærmere bestemt har banen en LTAN på 10:30. LTAN står for Local Time of Ascending Node og angiver det lokale klokkeslet på Jorden lige under satellitten, når den passerer ækvator på vej mod Nord.

Med andre ord, står man på ækvator og kigger lige op og er så heldig at se DTUsat-2 passere lige over én på vej nord på - så er klokken 10:30 dér hvor man står. Nu har vi delt Jorden op i tidszoner så man skal ikke forlade sig på hvad ens armbåndsur viser - det bruger en kvantiseret tid (men det vil være i nærheden af 10:30).

Tricket i praksis

For at lave et kort over beaconnummerværdierne og dermed afsløre om der rent faktisk er et mønster, skal der som sagt bruges mange beacons. Proceduren var: optage satellitpassager, gemme optagelserne, afkode beacons og til sidst plotte på et kort. Ved at navngive de optagne filer med starttidspunktet for passagen, er det efterfølgende muligt at finde positionen af satellitten da et givet beacon blev sendt.

Passagens starttidspunkt giver i virkeligheden Jordens position under satellitbanen. Vi opfatter det som om det er satellitten, der "skrider" sidelæns fra gang til gang når den dukker op over horisonten. Det er helt analogt med vores oplevelse af at Solen bevæger sig over himlen. Programmet der afspiller beacon viser naturligvis hvor mange minutter og sekunder man er inde i afspilningen. Den tid svarer jo til en afstand.

Summa sumarum: Fordi satelliten er i en solsynkron bane kan passagens starttidspunkt og viden om hvor mange minutter og sekunder inde i en optagelse et beacon blev afgivet bruges til at finde positionen af satellitten da beaconnet blev sendt.

Hvad blev resultatet så

Erik Jensen spurgte i november 2014 om DTUsat-2's status. Her godt 4½ år senere har vi så svaret.

Satellitten er beklædt med solceller på fire af siderne, to er reserveret til antenner. Attitude kontrol systemet er passivt og låser satellitten til Jordens magnetfelt. Vi valgte at patch-antennerne, som vi bruger til kommunikation mellem jordstationen og satellitten, skulle pege mod Jorden over Danmark. Det medfører at "bagenden" peger ud mod verdensrummet. Den drejning starter allerede over Nordafrika og medfører at solpanelerne belyses fra en skæv vinkel. Dermed giver de ikke masksimal effekt. Oveni det er batterisikringssystemet fejlbehæftet så det ikke beskytter batterierne, men tværtimod tillader at de overbelastes.

Kombinationen af det passive attitude systems vinkling af satellitten og fejlen i batterisikringen har tilsammen medført at satellitten udelukkende har Solen som energikilde. Falder effekten genstarter satellitten. Små lokale variationer i Jordens magnetfelt gør at belysningsvinklen af solcellerne er mere gunstig over den østlige del af Europa og iøvrigt den vestlige del af USA. Det opleves ved at satellitten er mere aktiv - sender fulde beacons. Over Atlanterhavet er den mindre aktiv - beacons bliver klippet.

Jeg har mange flere detaljer og fund med i min artikel, den er trods alt 12 sider lang, men dem må de nysgerrige selv læse sig til. Artiklen er udgivet under Open Access, så enhver kan læse den.

Satellitten sendte og sender som nævnt stadig beacons. Hvilket en del radioamatører heldigvis nyder godt af Youtube af beacon fra JE9PEL og blog om DTUsat-2 tracking.

PS: Ordet arkæologi i titlen henviser til at jeg har gravet igennem en del data - altså optagelser - og dekodet omkring 650 beacons. Heraf har 317 givet information til undersøgelsen.