Il "dietro le quinte" del risveglio di Philae

Questo post è la traduzione della prima parte di un articolo scritto l'altroieri per il blog Rosetta da Koen Geurts (responsabile tecnico Philae LCC) e Cinzia Fantinati (LCC Philae Operations Manager) e dà una visione dettagliata del lavoro svolto da vari team dell'ESA:il Lander Control Center (LCC) dell'agenzia spaziale tedesca DLR, lo "Science Operations and Navigation Center" (SONC) dell'agenzia francese CNES, il Max-Planck Institute (MPS - Gottinga) e l'Institute for Particle and Nuclear Physics (Wigner Research Centre for Physics - Budapest) che hanno collaborato con il centro di controllo ESA per la missione Rosetta (RMOC - ESOC), il Rosetta Science Ground Segment (RSGS - ESAC) e gli scienziati di Philae e Rosetta.

Dopo essersi posato sulla superficie della cometa 67P / Churyumov-Gerasimenko, il 12 novembre 2014, il lander ha operato per 2,5 giorni prima di cadere in letargo nel suo luogo di atterraggio finale, Abydos; il motivo fondamentale è stato la mancanza di luce solare per caricare le batterie secondarie di Philae. A causa del gran numero di incognite sul sito di atterraggio, non ultimo l' orientamento del lander rispetto alla topografia locale, era difficile prevedere con precisione quando Philae si sarebbe potuta svegliare di nuovo, man mano che la cometa avvicinava al Sole e la disponibilità di energia aumentava. Un'altra grande preoccupazione riguardava stata la capacità dell'hardware di sopravvivere alle temperature molto basse, ben al di sotto dei -55 °C per cui era stato costruito, previste durante diversi mesi di lungo letargo.

In post precedenti abbiamo illustrato le condizioni essenziali che devono essere soddisfatte affinchè Philae possa svegliarsi e di avviare le attività: una temperatura interna al di sopra -45 ° C e almeno 5.5W di potenza. Sulla base di misurazioni effettuate prima dell'entrata in letargo e di modelli sulla sua probabile posizione, si è deciso di avviare una serie di campagne "wake-up" a marzo 2015, durante periodi selezionati in cui la geometria orbitale di Rosetta era favorevole alla comunicazione. Nessun segnale è stato ricevuto durante questi periodi ma, nel corso di una riunione del gruppo di lavoro scientifico di Rosetta (SWT) tenutasi a Roma il 11-12 giugno, si decise di fornire ulteriore sostegno per tentare un contatto con Philae nel corso di 2 settimane, durante le quali la traiettoria di Rosetta sarebbe stata ottimizzata per eventuali contatti con Philae. La campagna doveva iniziare a metà luglio ma pochi immaginavano che Philae sarebbe stato pronto a parlare con noi già dal giorno successivo!

La procedura per stabilire un link

Al fine di stabilire una comunicazione con Philae, l'unità "Electrical Support System Processor Unit" (ESS) a bordo di Rosetta deve essere accesa e configurata in modalità "ricerca". In questa modalità, il trasmettitore ESS è acceso e invia segnali con uno specifico schema riconosciuto da Philae; parallelamente, il ricevitore ESS è acceso per ascoltare per eventuali risposte. Quando uno dei ricevitori su Philae avverte un segnale da Rosetta, il software di bordo controlla se vi è energia sufficiente per attivare uno dei due trasmettitori ridondanti; in caso positivo, il trasmettitore viene acceso e restituisce un segnale specifico, segnalando a ESS/Rosetta che è pronto a instaurare un collegamento bidirezionale. Fatto questo, Philae inizia immediatamente l'uplinking di dati scientifici e diagnostici immagazzinati nella sua memoria di massa ( MM).

Una volta stabilito il collegamento bidirezionale, Rosetta può anche inviare nuove sequenze di comandi per Philae da caricare ed eseguire, per esempio l'avvio di misurazioni scientifiche. La modalità operativa nominale prevista inizialmente per Philae sulla cometa consisteva nell'attivare periodicamente i suoi ricevitori; tuttavia, c'era il timore che questo avrebbe potuto far perdere le opportunità di brevi contatti. Perciò, poco prima che Philae andasse in letargo lo scorso novembre, il team operativo ha configurato il suo software di bordo per attivare entrambi i ricevitori ridondanti ogni volta che la batteria secondaria ricaricabile raggiungeva una tensione minima 3.4V oppure se c'era un sufficiente margine di energia solare disponibile. L'obiettivo era quello di massimizzare le possibilità di contatto una volta uscita dal letargo.

Primo contatto

Alle 20:28:11 UTC del 13 giugno 2015, Philae e Rosetta sono riusciti a stabilire il loro primo collegamento bidirezionale, per una durata di soli 78 secondi. In questo periodo, un totale di 343 "pacchetti" di telemetria ( TM), comprese le informazioni termiche e di potenza, sono state trasmessi da Philae a Rosetta. Un pacchetto consiste di 141 parole a 16 bit, ovvero 2256 bit, e quindi la quantità totale di dati trasmessi era poco meno di 100 Kbyte. C'è una distinzione tra un TM in "tempo reale", che fornisce informazioni sullo stato di vari sistemi al momento del collegamento, e un TM "memorizzato", con le informazioni da un certo punto in passato che è stato immagazzinato nella MM di bordo.

L'ordine in cui un TM viene trasmesso da Philae a Rosetta è legato a come esso interagisce con la MM. Non solo i vecchi TM sono archiviati nella MM come ci si aspetterebbe, ma anche quelli in tempo reale generati durante la continua comunicazione vanno a finire, tramite un buffer, nella MM di Philae. Poiché la MM opera con sequenza "First-In-First-Out" ( FIFO), il più vecchio TM memorizzato viene trasmesso per primo, prima di quelli in tempo reale. La trasmissione completa della MM dura 40 minuti perciò, se il collegamento è stabile ma relativamente breve, non è possibile ottenere informazioni sullo stato del lander in tempo reale perchè i pacchetti TM rimangono in coda nella MM. Tuttavia, nel caso di un collegamento molto instabile e molto breve (meno di 20-30 secondi), il comportamento è diverso. In questo caso, il software di bordo dirotta i TM in tempo reale dal buffer direttamente all'unità di comunicazione per la trasmissione a Rosetta, bypassando completamente la MM.

Questione di Tempo

Decodificare quando è stata generato ogni TM è difficile. Ogni volta che Philae ha abbastanza potenza per il riavvio, l'orologio di bordo riparte da zero e l'acquisizione dell'ora UTC può avvenire solo quando un collegamento è stabilito con Rosetta. In assenza di contatti, è necessario un metodo alternativo per tenere traccia del momento in cui il TM viene generato; per fare questo, il software calcola un "contatore di giorni cometari" che viene memorizzato nella memoria non volatile, contando in unità di 744 minuti (cioè 12,4 ore, il periodo di rotazione della cometa) e aggiungendolo a una data di inizio predefinita: il 28 NOVEMBRE 2014 alle 00:00:00. Questo dà una approssimazione del tempo UTC, ma solo nell'ipotesi che Philae sia in funzione continuamente o si riavvii ad ogni alba locale. Questo offset della data è stato scelto a caso nelle settimane prima dell'atterraggio, come "segnaposto" che doveva essere aggiornato nelle ore dopo l'atterraggio, prevedendo un "primo risveglio" sulla superficie della cometa. A causa dell'atterraggio anomalo di Philae, però, il parametro non è mai stata aggiornato.

Come riportato nella tabella qui sopra, i dati inviati a Rosetta durante la prima connessione il 13 giugno contenevano TM memorizzati con conteggio dei giorni cometa di 2, 19, e 20. Inoltre, sono stati ottenuti 6 pacchetti TM "real-time" con numero 95. Se Philae avesse operato ininterrottamente dallo sbarco nel mese di novembre 2014, il "giorno 95" cometario sarebbe caduto il 16 gennaio 2015. Ma dal momento che questo valore del contatore in realtà corrisponde al 13 giugno, questo offre l'opportunità di andare a ritroso e capire quando Philae ha realmente ripreso a funzionare la prima volta. I pacchetti TM in tempo reale hanno indicato che Philae si è riavviato alle 20:24:48 UTC del 13 giugno, neanche quattro minuti prima della ricezione da parte di Rosetta. Se quel momento corrisponde al valore "95" del contatore di "giorni cometari", allora il giorno 20 deve risalire a 75 x 744 minuti prima, vale a dire 38,75 giorni terrestri prima, il 6 maggio. Allo stesso modo, il valore "19" è stato 12,4 ore prima, mentre il "2" era il 26 aprile.

Ci sono però alcune avvertenze. Innanzitutto, questi calcoli non tengono conto della possibilità di un riavvio a causa di un "crash" sul bus di alimentazione, che il software di bordo non può distinguere da una "reale" alba cometaria. Tuttavia, correlando l'aumento della temperatura giornaliera visto nei TM consecutivi con il contatore, queste "false" ripartenze dovrebbero essere distinguibili. Inoltre, anche se la MM opera con sequenza FIFO, non è chiaro perché ci sono lacune nel downlink dei TM: per esempio, il salto dal conteggio 2 a 19. Mentre il conteggio della data cometaria viene scritto nella memoria non volatile subito dopo l'avvio, i successivi dati diagnostici e scientifici sono immagazzinati nella RAM volatile e trasferiti esclusivamente alla memoria non volatile, una volta che il tramonto viene rilevato sulla base di una diminuzione dell'energia solare in arrivo. Una possibile spiegazione è che il tramonto cometario sia avvenuto troppo rapidamente in quei giorni, e che la batteria ricaricabile non fosse in grado di fornire la necessaria riserva di 30-60 secondi per completare il salvataggio del TM nella memoria non volatile. Viceversa, il salto da 20 a 95 è spiegato dal fatto che i TM con contatore 95 sono stati generati in tempo reale il giorno della connessione, quando non c'era abbastanza tempo per il downlink di eventuali TM memorizzati nei giorni 21-94.

Temperatura ed Energia

I seguenti grafici rappresentano l'andamento della potenza fornita dai differenti pannelli solari disposti sui fianchi del lander, nei giorni cometari 19 (a sinistra) e 95+97 (a destra); in nero è indicata la potenza totale:

Credit: Philae Consortium/DLR/LCC

In entrambi i grafici, il tempo parte dal momento in cui Philea ha effettuato il "reboot" mattutino e, come si vede, l'insolazione aumenta gradualmente nelle prime 2,5 ore per poi crollare repentinamente; fanno eccezione i pannelli 1 e 5 che sembrano fornire una potenza costante (cosa che farebbe pensare a un orientamento verso la direzione in cui sorge il sole). Si vede chiaramente come, a distanza di oltre un mese, l'insolazione è aumentata per effetto dell'avvicinarsi della cometa al perielio.

I grafici successivi illustrano invece il drastico aumento di temperatura interna di Philae in 3 diverse date:

Credit: Philae Consortium/DLR/LCC

Al momento attuale, dopo che la cometa è passata per il perielio, Rosetta si trova a circa 400 km dal nucleo e sta continuando a tenere i ricevitori accesi nella speranza di captare un segnale da Philae, per ora senza successo. Questa finestra di ascolto terminerà il 23 Settembre, quando Rosetta si allontanerà fino a 1500 km dal nucleo per studiare la sua interazione con il vento solare. In seguito, a causa del progressivo allontanamento dal Sole, è improbabile che un collegamento possa venire ristabilito.

Riferimenti:
- http://blogs.esa.int/rosetta/2015/09/11/understanding-philaes-wake-up-behind-the-scenes-with-the-philae-team/
- http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2015/09/Comet_on_5_September_2015_NavCam