Tianwen-1 Uydusunu İzlemek

Çin 23 Temmuz 2020 tarihinde Tiawen-1 isimli aracını Wenchang’dan Mars’a yol almak üzere gönderdi. Bu misyon içerisinde yörünge uydusu, iniş aracı ve gezgin araç da bulunuyor. Daniel Estévez isimli radyo amatöründen izin alarak kendisinin yaptığı telemetri kaydı ve analizi ile ilgili yazısını sizinle paylaşacağız. Estevez sayfasında bu ölçüm ve analizler sırasında ilginç bulduğu olayları da paylaşıyor. Bundan sonraki tırnak içerisine yazılmış paragrafları Estevez’in ağzından okuyacaksınız.  

“Çin DSN’i (Deep Space Network), Tianwen-1 için yörünge bilgisi yayınlamadı, bu da hem amatörlerin hem de diğer uzay kurumlarının uzay aracını izlemesini zorlaştırdı. Aslında, NASA DSN‘den Richard Stephenson, ESA‘nın Çinlilerle işbirliği yapıp yapmadığını merak ediyordu ve insanlar bu görevi merakla takip ediyordu.”

“Lansmandan kısa bir süre sonra sinyali bulmak büyük ihtimalle zor olmayacak. Uzay aracı Dünya’ya yakın olduğunda sinyal güçlüdür ve downlink bağlantı frekansları bilindiği için uzay aracı sadece küçük bir antenle bile bulunabilir. Uzay aracı Dünya’dan uzaklaştıktan sonra bulmak o kadar kolay değildir. Sinyali git gide zayıflayacak ve günden güne gökyüzündeki konumunu değiştirecek, böylece nereye bakacağını bilmeden bulmaya çalışmak samanlıkta bir iğne bulmaktan farksız olur.”

Estevez yazısında arkadaşı Paul tarafından kendisi ile paylaşılan veriyi incelediğini açıklıyor, arkadaşı bu verinin ne olduğundan emin değil. Estevez bu ölçüm verisinin Mars yörüngesine giden bir araçtan gelmiş olabileceğine kanaat getiriyor.  

“Kartezyen durum vektörü, bir uzay aracının belirli bir andaki konumunu ve hızını gösterir. Bir uzay aracına etki eden tüm kuvvetleri (esas olarak yer çekimi ve diğerleri) bildiğimiz için, uzay aracının yörüngesini yaymak için ihtiyacımız olan tüm veriler budur. Kartezyen durum vektörleri, km ve km/s veya m ve m/s olarak verilir ve tahmin edebileceğiniz gibi, hız vektörü çok büyüktür, ancak hız çok büyük değildir.”

“Bu sayıların Kartezyen bir durum vektörü olup olmadığını kontrol etmek için, ilk üç sayıyı ilk satırdaki (muhtemelen konumlardı) çıkardım, ardından sonucu ilk satırdaki ikinci üç sayıya (muhtemelen hız) böldüm. Sonuç, konumlardaki farkın hızın 32 katına oldukça yakın olmasıydı. Aynısı tablodaki tüm veriler için de oldu, dolayısıyla benim sonucum, bunun gerçekten de 32 saniye aralıklı Kartezyen durum vektörleri olduğudur.”

Resim-1. İlk Kartezyen durum vektörünü yorumlamaya çalışın: SSB ICRF

Estevez bulduğu sonuçlardan emin olamayınca SSB yerine Güneş’i başlangıç noktası olarak kullanmayı deniyor. Bu işlem çok daha iyi sonuçlar veriyor. Dünya’dan 29.311 km uzakta başlayan ve 24.012021’de Mars’a yaklaşan bir yörünge seçiyor.

Resim-2. Kartezyen durum vektörünü yorumlamanın üçüncü denemesi: Sun ICRF

Estevez şöyle devam ediyor:

“Tüm bunlar oldukça makul görünüyordu, ancak Paul hala bu yörüngeyi Perşembe sabahı Tianwen-1’i izlerken kullandığı anten işaretine karşı kontrol etmemizi istedi. Bu istasyon için GMAT ile Azimut/yükseklik verisi ürettim ve anten işaretiyle uyumlu olduğu ortaya çıktı.”

“Şaşırtıcı bulduğum kısım şu: Kartezyen konum verileri uzay aracının telemetrisinden gelmişti. r00t.cz’nin Paul’un kayıtlarıyla da çalıştığı ve yukarıda listelediğim sayılar tablosunu telemetri çerçevelerinden çıkarmayı başardığı ortaya çıktı. r00t ve Paul bu verilerin doğasını iyi anlamadılar, ancak bir nedenden dolayı bunun uzay aracının yörüngesiyle ilgili olabileceğini düşündüler.”

“Bunu neden şaşırtıcı olduğuna başka bir örnek vereyim. İlk olarak, derin uzay sondalarıyla ilgili diğer bazı yazılarımda görebileceğiniz gibi, genellikle modülasyonu ve FEC’i bulabilir ve çerçeve başlıklarının kodunu çözebiliriz (CCSDS standartlarını kullandıkları için), ancak sonra çerçevelerin içeriğine bakarız ve ne tür verilerin iletildiği veya verileri kodlamak için hangi biçimin kullanıldığı hakkında hiçbir şey bilmezsek, kendimizi kaybedebiliriz. Çoğu zaman bundan daha fazlasını elde edemeyiz.”

“Şimdi ne tür sayısal veri arayacağımızı bildiğimize göre, bunları telemetri çerçevelerinde bulmak o kadar zor değil ve aslında gelecekteki bir gönderideki tüm ayrıntıları göstereceğim, ancak neyi arayacağınızı bilmeden bu göz korkutucu görev. Bu kareleri kontrol ediyor olsaydım, muhtemelen sıkılırdım ve durum vektör verilerini bulmadan önce başka bir projeye geçerdim. Bu yüzden r00t’in yaptığı şeyin çok etkileyici olduğunu ve telemetri çerçevelerinde durum vektör verilerinin varlığını nasıl fark ettiğini anlatan hikayesini duymayı çok seveceğini düşünüyorum.”

“İkincisi, söyleyebildiğimiz kadarıyla, uzay aracı sürekli olarak kendi gerçek zamanlı durum vektörünü 32 saniyede bir iletir. Bu çok garip. Uzay aracının durum vektörü, değişen ölçümler kullanılarak Çin DSN tarafından yerde tahmin edilmektedir. Örneğin, uzay aracının antenlerini Dünya’ya yönlendirmek için kendi yörüngesini bilmesi gerekiyor, ancak uzay aracının tahmin edilen bir görev profili ile önceden yüklendiğini ve daha sonra gerekirse bu yerleşik verilerin DSN tarafından güncellendiğini tahmin ediyorum. DSN‘nin yerleşik yörünge verilerinin geçerliliğini kontrol etmesi bile gerekebilir ve bu nedenle uzay aracından bu verilerin bir kopyasını indirme bağlantısını isteyebilir. Ancak bu verilerle sürekli bağlantı kurmak için bir neden düşünemiyorum.”

“Her halükarda, Paul ve ben azimut / yükseklik ve sağ yükseliş / eğim işaret verisi yaptık ve birkaç Amatör DSN istasyonuna dağıttık. Bu işaretleme verilerini kullanarak ertesi sabah uzay aracının sinyalini bulabilseler yörüngeyi doğrulardı.”

“Cuma günü günün çoğunu evden uzakta geçirdim, yörünge verileriyle çalışamadım. Edgar, işaretleme verilerimizin az ya da çok iyi çalıştığını, ancak birkaç derece yanlış olduğunu bildirdi, bu yüzden Cumartesi günümü yörünge verilerinin kalitesini değerlendirerek geçirmeyi planladım, Edgar bunu birkaç amatörden işaret verilerini toplamaya özen göstererek daha kolay hale getirdi.”

Cumartesi sabahı Achim Volhardt DH2VA, James Miller G3RUH ve Bochum Gözlemevi ekibinin geri kalanı, uzay aracını izlemek ve birkaç kayıt yapmak için gözlemevindeki 20m anteni kullanmayı başardı. Amatör radyo operatörlerinin derin uzay görevlerini takip etme yeteneklerini gösteren hikayenin tamamı, AMSAT-DL‘deki bu haber bülteninde okunabilir.” 

Resim-3. Çin Mars probu Tianwen-1 başarıyla AMSAT-DL tarafından alındı. (Image Credit: AMSAT-DL)

“20m anten, X bandında 0.1 derecelik bir ışın genişliğine sahiptir, bu nedenle daha küçük amatör istasyonlardan çok daha doğru işaretleme verileri verebilir. Bu nedenle, Bochum tarafından toplanan işaret verileri yörünge kalitesini değerlendirmek için çok değerli olacaktır, çünkü Achim ayrıca işaretini birkaç derece değiştirmesi gerektiğini bildirdi.”

Cumartesi sabahı, r00t.cz ve Paul güncellenmiş durum vektörlerini uzay aracının telemetrisinden çözebildiler.  Bu verileri incelemek için bu sayfaya göz atabilirsiniz. 

“Bence bir hikaye asla tam bir başarı hikayesi değildir. Maalesef Perşembe (set1 olarak adlandıracağım) ve Cumartesi (set2 olarak adlandıracağım) durum vektörleri çok iyi eşleşmiyor.”

“Her bir durum vektörü kümesinin tutarlılığını doğrulamak ve ayrıca zaman damgalarının doğru bir şekilde hesaplanıp hesaplanmadığını (şüphelerimden biri olan) kontrol etmek için, setteki ilk çağdan sonuncusuna yayılan bir GMAT komut dosyası yaptım ve konum hatasını kontrol ettim. Yaklaşık 1 km’lik küçük hatalar alıyorum. Özellikle set1’de timestamps’i biraz değiştirirsem, yörüngeyi önemli ölçüde etkileyen Tianwen-1 ve Dünya’nın göreceli konumları değişir ve çok daha büyük bir hata üretir.”

Tianwen-1 ile Dünya arasındaki mesafe, her iki efemerid setinde açıklandığı gibi, aşağıda gösterilmiştir. Burada yörüngelerin belirgin şekilde farklı olduğunu açıkça görebiliriz.

Resim-4. Dünya’dan uzaklık.

“Dünya’ya olan uzaklıkla ilgili olarak, bir uyarıda bulunmak gerekir. Uzay aracı Dünya’dan yeterince uzak olana kadar, Dünya üzerindeki bir yer istasyonunun konumu işaretlemeyi etkiler, böylece doğru yükseliş ve sapma verileri doğrudan kullanılamaz ve düzeltilmesi gerekir. Bu etkinin günlük paralaks adı verilen maksimum büyüklüğü aşağıda gösterilmiştir.”

“Paralaks zaten bir dereceden az olduğundan, daha küçük istasyonlar 2020-07-25 Cumartesi günü doğru yükseliş ve düşüşü kullanmaya başlayabilir. Bununla birlikte, Bochum’unki gibi büyük bir antenin doğru şekilde işaretlenmesi için paralaks, lansmandan bir hafta sonra hala farkedilebilir.”

Resim-5. Tianwen-1 paralaksı.

“Aşağıda, her iki efemerid kümesi için doğru yükseliş ve sapma verilerini gösteriyoruz. Eğim biraz benzer, ancak sağ yükselişte yaklaşık 5 derecelik büyük bir fark bulunuyor.”

Resim-6. Tianwen-1 ephemerides.

“Aşağıdaki şekilde Bochum’da ölçülen anten noktaları, paralaks için doğru bir şekilde hesaplanan efemerid setleri ile karşılaştırılmaktadır. Setlerin hiçbirinin sağ yükseliş için çok doğru olmadığını görüyoruz. Set1 çok büyük sağ yükselişe sahipken, set2 çok küçük sağ yükselişe sahip.”

Resim-7. Anten noktaları, Bouchum’dan itibaren.

 “Tüm istasyonların verileri Bochum’da yapılan ölçümlerle tutarlıdır. Düşüş aşağı yukarı tamam, ancak doğru yükselişte bir sorun var. Ayrıca set1’in lansmandan hemen sonra Tamam olduğu, ancak daha sonra ölçümlerden önemli ölçüde saptığı görülüyor.”

“Bu tutarsızlıklar için bir açıklamam yok. Durum vektörlerini güneş merkezli ICRF koordinatları olarak yorumlamamın doğru olduğundan emin değilim, ancak saatlerce diğer referans sistemleriyle oynadım ve hatta ICRF’nin küçük rotasyonları yoluyla kendiminkini bile yaptım ve hiçbir şey elde edemiyorum.”

Resim-8. Set2’nin geriye doğru yayılması

“Set1, Dünya’dan 29.311km uzakta başlar ve 2021-01-24’te Mars’ın 1.25 milyon km’sine ulaşırken, set2 2021-02-14’te 3.7 milyon km’ye ulaşır. Dahası, set2 zamanında set1 çağına doğru geriye doğru ilerlersek, izlerinin aşağı yukarı paralel olduğunu, ancak set2’nin Dünya’yı geçerek salındığını görürüz, bu, set1 çağından sonra bir manevra yapılmadıkça imkansızdır.” 

Estevez web sayfasında detaylı bir şekilde çalışmalarını yayınlamaya ve verileri yorumlamaya devam ediyor. Tavsiye ettiği sayfalardan r00t.cz ise  Çin’in Mars probu ve lander sinyalinin kodunun çözülmesi ve analizini açıklamış. Alınan telemetri sinyalinin telemetri spektrumunu merak edenler için Resim-9’da paylaşalım. 

Resim-9. Temel telemetri X-bandı sinyal spektrumu. (Image Credit: r00t.cz)