Pierwszy satelita ESA z polskim oprogramowaniem pokładowym poleci na orbitę

OPS-SAT znajdzie się na wysokości 515 kilometrów i będzie pełnił rolę laboratorium do testowania nowych technologii w warunkach kosmicznych. Ze względu na duże ryzyko i możliwe straty finansowe, firmy kosmiczne nie chcą prowadzić takich eksperymentów przy okazji kosztownych, komercyjnych misji. OPS-SAT jest okazją, by przy minimalnym ryzyku przetestować nowy, znacznie mocniejszy od używanych dotychczas procesor i wiele rodzajów oprogramowania. O tym, jakie są zadania oprogramowania stworzonego w Polsce i co dokładnie jest celem eksperymentu opowiadają RMF FM Krystyna Macioszek, inżynier oprogramowania pokładowego w GMV i koordynatorka projektu oraz Paweł Wojtkiewicz, dyrektor ds. sektora kosmicznego w GMV.

Grzegorz Jasiński, RMF FM: OPS-SAT to satelita testowy. Można odnieść wrażenie, że on się ma zajmować sam sobą.

Krystyna Macioszek: Tak naprawdę autonomii w tym satelicie i w ogóle w większości satelitów jest bardzo mało. Satelita jest w pełni kontrolowany przez stację naziemną, przez Europejską Agencję Kosmiczną.

Ale jest wyjątkowym satelitą, bo jego zadaniem, jak rozumiem - proszę mnie poprawić, jeśli rozumiem błędnie - jest testowanie samego siebie, rozwiązań, które potem mają pomóc w pracy satelitów, które będą miały inne, choćby naukowe czy techniczne przeznaczenie.

KM: Tak. To jest satelita typu technologicznego. Ma za zadanie testować różne nowe technologie. Na pokładzie OPS-SATA jest kilka ładunków użytecznych, które w przyszłości być może będą użyte na pokładach innych statków. Dzięki temu, że polecą na OPS-SAT, producenci będą mogli się pochwalić, że to rozwiązanie już było na orbicie i działało, w związku z czym przyszłe misje będą mogły bez kłopotu używać takich rozwiązań.

Misje kosmiczne są legendarnie trudne dla elektroniki, ze względu na promieniowanie kosmiczne ta aparatura musi być szczególnie chroniona. W związku z tym zwykle to są komputery, procesory wcześniejszych generacji. Tym razem to ma być nowoczesny satelita, wyposażony w nowoczesną elektronikę, ona się ma w warunkach orbitalnych sprawdzić.

KM: Ten komputer, o którym pan mówi, jest właśnie eksperymentem tej misji. To nie jest podstawowy komputer pokładowy satelity. Jeśli on nie zadziała, to jest to właśnie część eksperymentu. Mamy nadzieję, że zadziała. Na tym komputerze, na tym potężnym procesorze, będą uruchamiane różne inne eksperymenty oprogramowania, które zostały napisane przez różne organizacje i instytucje, które miały okazję zgłosić się do ESA o to, by wystartować na OPS-SAT.

Na ile ten komputer jest mocniejszy, szybszy od tych, które przeciętnie teraz latają na orbitę?

KM: Kilka razy potężniejszy. Jest to również komputer, na którym można uruchomić różnego typu procesory. Oprogramowanie, które tam będzie jest również eksperymentalne, w tym sensie, że może być napisane w językach, które nie są używane standardowo na komputerach pokładowych satelitów, choćby w Javie.

Proszę mi powiedzieć o państwa oprogramowaniu, które leci i ma bardzo interesującą misję - ma rządzić tym, co tam się będzie działo. 

KM: Dokładnie tak. Nasze oprogramowanie, to które napisało GMV, ma działać. Jak już mówiłam, to oprogramowanie, które będzie instalowane na tym eksperymentalnym komputerze, może nie działać, to jest część misji, natomiast nasze oprogramowanie musi zadziałać, jest uruchamiane na zupełnie osobnym komputerze, już nie tak potężnym, jak tamten. Dużo słabszym, ale takim, który już leciał w kosmos, więc jest sprawdzony. Nasze oprogramowanie ma za zadanie kontrolować stan satelity. Jeśli w jakimś momencie okaże się, że któryś z eksperymentów wprowadził satelitę w jakiś niepokojący stan, na przykład wzrosła temperatura, albo satelita zaczął się w niekontrolowany sposób obracać się na orbicie, wtedy nasz komputer, nasze oprogramowanie ma przerwać taki eksperyment i przejąć z powrotem kontrolę nad satelitą, wprowadzić go w tryb bezpieczny i zawiadomić stację naziemną, że coś się stało nie tak. Naszym zadaniem nie jest wprowadzenie satelity z powrotem w poprawny stan, to jest zadanie stacji naziemnej i operatorów ESA. Naszym zadaniem jest tylko monitorowanie stanu satelity i - jeśli coś się stanie - wyłączenie eksperymentu i zgłoszenie stanu na Ziemię.

To jest o tyle istotne, że ta misja właściwie przewiduje kłopoty. Trzeba się liczyć z tym, że mogą się wydarzyć różne sytuacje i istotą testów jest to, że będzie można przywrócić satelitę do stanu normalnego, bez względu na okoliczności.

KM: Dlatego ważny jest ten tryb bezpieczny, w którym satelita ma jak najmniejszy pobór mocy i możliwość komunikacji ze stacją naziemną, choćby nie wiem co się wydarzyło. Jeśli chodzi o eksperymenty to jednym, co rzeczywiście może pójść nie tak jest fakt, że mogą one przejąć kontrolę nad orientacją satelity. Satelity na orbicie muszą mieć ustalone położenie i być zorientowane w stronę Ziemi, czy w stronę Słońca, zależnie od misji. Eksperymenty mogą przejąć kontrolę nad sterowaniem jego położeniem i orientacją. Tu coś może pójść nie tak. W takim przypadku nasze oprogramowanie powinno przerwać eksperyment i sprowadzić satelitę w tryb bezpieczny, w którym na przykład przestanie się w niekontrolowany sposób obracać, gdyby takie coś się zdarzyło.

A jak to miałoby się odbyć? To jest - jak rozumiem - poza państwa zakresem obowiązków, ale jak ten satelita będzie się mógł przywrócić do podstawowego stanu? On ma silniczki manewrowe?

KM: Nie, nie.

Żyroskopy?

KM: Są żyroskopy czy magnetometry oraz czujniki położenia Słońca, dzięki którym satelita jest w stanie określić swoje położenie, swoją orientację. Korzystamy również z systemu GPS. Sama zmiana orientacji jest ustalana przez nasz system przy użyciu tak zwanych magnetorquerów, które zadają pewien moment magnetyczny, który oddziałuje z polem magnetycznym Ziemi. dzięki temu satelita jest w stanie skorygować orientację.

Co jest pożądanym wynikiem tej misji? Praca bez żadnych problemów, czy właśnie opanowanie po drodze jak największej liczby problemów? Bo przecież lepiej byłoby, żeby to oprogramowanie, o którym pani mówi, które jest przygotowywane przez różne zespoły zadziałało. Ale zapewne w państwa interesie jest, żeby pokazać, że cokolwiek, ktokolwiek by temu satelicie nie zrobił, to państwa oprogramowanie potrafi to zdiagnozować i przesłać odpowiednie informacje.

PW: Tak naprawdę misja OPS-SAT jest dużym eksperymentem Europejskiej Agencji Kosmicznej i Europejskiego Centrum Operacji Satelitarnych. Głównym celem jest przetestowanie nowych sposobów zarówno komunikowania się z satelitą, jak i z payloadem satelity, ale też przeprowadzenie wielu eksperymentów. My wystąpiliśmy w tym projekcie i w tej misji jako dostawca on board software, czyli tej części software, która jest kluczowa dla całej misji, żeby mogła znaleźć się na orbicie. A ponieważ jest to swego rodzaju laboratorium orbitalne, będą tam prowadzone eksperymenty, które mogą wprowadzić satelitę w stan niepożądany. Wtedy kontrolę nad satelitą musi przejąć oprogramowanie, które jest sprawdzone. Przygotowali je inżynierowie tu w GMV w Warszawie. Ono ma pozwolić satelicie wrócić do normalnego stanu. tak, że rzeczywiście jest tak, że chcemy testować nowe rozwiązania, ale zależy pewnie Europejskiej Agencji kosmicznej na tym,, żeby ten satelita jak najdłużej pozostał na orbicie.

Popularnie się mówi, że komputery księżycowych misji Apollo to tak naprawdę miały możliwości obliczeniowe nieporównanie mniejsze niż obecnie nasze smartfony. Bez względu na to, czy to jest do końca prawda, czy nie, jak można opisać państwa program. Jak obszerny on jest, jakie ma możliwości, jak dużych mocy obliczeniowych potrzebuje? Jak to się teraz robi, pod koniec drugiej dekady XXI wieku?

KM: To zabrzmi być może śmiesznie, ale ten klasyczny komputer naszego satelity rzeczywiście nie jest mocarny. To jest komputer może nawet sprzed 10 czy więcej lat. A nasze oprogramowanie zajmuje zaledwie 800-900 kilobajtów, jest naprawdę nieduże. Ale to nic nietypowego dla misji kosmicznych. Nie potrzebujemy większych mocy obliczeniowych, ponieważ naszym zadaniem jest głównie zbieranie danych o parametrach satelity i przesyłanie ich na Ziemię. Operatorzy stacji naziemnej mogą te dane analizować u siebie, we własny sposób, jak chcą. Jest to dość powszechne, że na satelitach nie ma zbyt dużej autonomii i większość decyzji podejmowana jest jednak w stacji naziemnej. W związku z tym satelita nie potrzebuje zbyt dużej mocy obliczeniowej.

Dużo się teraz mówi o sztucznej inteligencji, o algorytmach sztucznej inteligencji. Czy one trafią na orbitę? Czy satelity będą miały więcej autonomii? A może jednak nie?

KM: Myślę, że będą miały. Rzeczywiście jest taki trend, by rozwijać robotykę kosmiczną i wprowadzać jak najwięcej sztucznej inteligencji. Natomiast problemem ze sztuczną inteligencją jest zawsze jej niezawodność. W przypadku satelitów, których misje kosztują miliony dolarów, czy euro, ogranicza się wciąż sztuczną inteligencję z obawy o ewentualne straty. Ale jest to kwestia przyszłości, być może nie takiej odległej. I tej sztucznej inteligencji będzie więcej niż obecnie.

PW: Warto też mówić w przypadku operacji na orbicie o częściowej autonomii. Możemy powiedzieć, że GMV już teraz realizuje wiele projektów, które rozwijają algorytmy częściowej autonomii, które mają wspomagać operacje na orbicie wokół Ziemi, albo tez na dalekich ciałach Układu Słonecznego. Prace w kierunku tego, by jak największą część autonomii zaimplementować do statku kosmicznego są prowadzone przez Europejską Agencję Kosmiczną, przez inne agencje, także przez GMV tutaj w Polsce.

Jakiego typu autonomie państwo chcecie wbudować? Co ten komputer, tam na orbicie, mógłby sobie sam wykombinować?

PW: W przypadku misji OPS-SAT tej autonomii nie ma za wiele.

KM: Autonomia jest choćby w przypadku sterowania satelitą, jego położeniem i orientacją. To musi być prowadzone autonomicznie. Więc my wiemy, jaką mamy zadaną orientację i ten algorytm, który jest na pokładzie, reagując na to co się dzieje, stara się ustawić satelitę w odpowiedni sposób.

Państwa udział w tej misji nie jest przypadkowy. Firma GMV ma już spore doświadczenie...

PW: GMV tutaj w Polsce jest częścią grupy, która tak naprawdę od ponad 30 lat dostarcza rozwiązania dla sektora kosmicznego. W Polsce jesteśmy od 2009 roku. Mamy już na koncie kilkadziesiąt projektów zrealizowanych dla Europejskiej Agencji Kosmicznej, także w obszarze oprogramowania, my to nazywamy flight software. Misja OPS-SAT jest przykładem takiego oprogramowania. Zajmujemy się też oprogramowaniem dla segmentu naziemnego i w Polsce mamy także zespół, który się w tym specjalizuje. I oczywiście nie możemy zapominać o przetwarzaniu danych satelitarnych, które jest bardzo ważne dla sektora kosmicznego, ale także dla przeciętnego odbiorcy. I tu w GMV także mamy taki zespół. Jednak, szczerze mówiąc, najbardziej przemawiają do naszej wyobraźni te wszystkie projekty, które realizujemy właśnie w obszarze flight software, czyli oprogramowania dla satelitów, dla przyszłych misji ESA.

Porozmawiajmy chwilę o tym, jak ta misja będzie przebiegać, ile potrwa i jaki byłby optymalny wynik tej misji z państwa punktu widzenia?

KM: Misja jest planowana na dwa lata, natomiast jeśli uda się ją przedłużyć, to zapewne zostanie przedłużona. Najważniejsze są pierwsze godziny po samym starcie, kiedy to stacja naziemna stara się uzyskać komunikację z satelitą, pierwszy kontakt i pierwsze dane telemetryczne, czyli dane o stanie satelity. W momencie kiedy operatorzy ze stacji naziemnej dojdą do wniosku, że wszystko działa i wszystko jest w nominalnym stanie, satelita może rozpocząć zaplanowaną część misji, czyli zacząć uruchamiać eksperymenty. Odpowiedź na pytanie, kiedy możemy powiedzieć, że misja zakończyła się sukcesem, nie jest łatwa. Tam będzie uruchamianych wiele eksperymentów, każdy z tych eksperymentów, sam dla siebie, może określić, czy ta misja jest sukcesem, czy nie. Z naszej strony sukcesem będzie oczywiście to, jeśli nasze oprogramowanie będzie działało bez zarzutu, to znaczy będziemy w stanie kontrolować stan satelity i w momencie, gdyby coś stało się nie tak, to zawiadomić stację naziemną. Dokładnie tak.

Czy jeśli państwa oprogramowanie będzie działało poprawnie, jest szansa, że stanie się elementem już prawdziwej, komercyjnej misji? Po ewentualnych poprawkach, uzupełnieniach...

PW: Tak naprawdę misja jest realizowana przez GMV i polskie podmioty w ramach takiego specjalnego programu Europejskiej Agencji Kosmicznej - GSTP. rzeczywiście naszym celem jest to, żeby zarówno w tym programie, jak i w innych budować rozwiązania, które później mają szansę na komercjalizację, które będzie można w przyszłości powielać i na tej podstawie budować produkty i usługi dla innych misji. I tu rzeczywiście jest taki przykład, w którym w ramach realizacji projektu dla Europejskiej Agencji Kosmicznej stworzyliśmy rozwiązanie, na bazie którego możemy oferować konkretne produkty i usługi dla innych misji tego typu. W tym sensie wynik tej misji, jeśli przebiegnie z sukcesem, będzie dowodem na to, że byliśmy w stanie tu w Polsce stworzyć oprogramowanie, które może być używane także w innych misjach.

Trzymamy kciuki za powodzenie tej misji, będziemy nasłuchiwać informacji z orbity. Czy satelity korzystają z tego co nazywamy  chmurą, czy przesyłają dane bezpośrednio do centrum kontroli lotów?

Przesyłają bezpośrednio do centrum kontroli lotów dane telemetryczne, z kamer, czy czujników. natomiast ciekawostką jest to, że wiele satelitów, szczególnie typu CubeSat, czyli tych najmniejszych, często budowanych przez studentów, ma anteny w zakresie UHF, które są w stanie nadawać informacje dostępne potem dla amatorów, krótkofalowców z całego świata.

W przypadku tej misji także?

Jest tam antena UHF, która będzie nadawać sygnały i krótkofalowcy z całego świata będą mogli odbierać informacje od satelity OPS-SAT.