Beskrivning av bidrag

Detta är ett exjobb gjort som en del av Medieteknikprogrammet. Med opensource-mjukvaran OpenSpace som bas har vi utvecklat en visualisering av NASAs Deep Space Network (DSN). DSN är ett avancerat system bestående av markstationer med stora parabolantenner, även kallade stationer, specialicerade för kommunikation till yttre rymden.
OpenSpace är en interaktiv representation av hela vårat hittills kända universum. Vårat bidrag till mjukvaran är en intuitiv visualisering av den vidsträckta radiovågskommunikation som DSN har med rymdfarkoster som är positionerade långt ut i, och utanför, vårat solsystem.

Visualiseringen är baserad på datafiler med DSNs schemalagda kommunikation från år 2014-2018, samt positioneringsdata för ett 60-tal olika rymdfarkoster. Dessa rymdfarkoster förlitar sig på DSN för att ta emot och skicka radiosignaler innehållande kommandon och olika typer av vetenskaplig data från rymden. Tack vare att vi förlänger den schemalagda start- och sluttiden för stationernas kommunikation med den tid det tar för ljuset att resa genom rymden så kan vi följa signalernas resa genom vårat solsystem. Genom att färgkoda signalerna efter deras position på jorden kan man se varifrån signalen är på väg eller har kommit ifrån även när man är långt utzoomad från vår planet. Blå representerar Goldstone (USA), röd för Canberra (Australien) och grön för Madrid (Spanien).

Markstationerna är väldigt taktiskt placerade på jorden för att maximera radiosignalernas täckning hela tiden. Det är designat så att alla rymdfarkoster alltid har en direkt kommunikationslinje till åtminstone en av markstationerna oavsett vart de befinner sig. För att illustrera detta har vi lagt till en så kallad “station field of view” eller “station FOV” som representerar fältet som varje markstation kan nå med sina signaler. För att illustrera en avtagande signalstyrka använder vi en linjär interpolation i fragment shadern baserat på avståndet.

Utpositioneringen av rymdfarkoster sker framförallt med vår implementerade translationsklass (radectranslation). Rektascension (RA), deklination (DEC) och räckvidd (range) används för att positionera ut himlakroppar på himelssfären. Det är ett sfäriskt koordinatsystem med jorden som center och en ny typ av translation implementerad i OpenSpace.

Eftersom OpenSpace är ett sätt att representera universum så tillför det vissa precisionsfel när man vill använda flytvariabler i shadern. Då det antal siffror som används för att representera ett flyttal inte räcker till att representera numret med säkerhet uppstår visuella artefakter. Problemet uppstod framförallt när man navigerade nära en så kallad fokusnod i OpenSpace som befann sig långt ifrån origo (solen). För att komma runt det problemet användes en kreativ lösning för radiosignalernas ändpunkter. Genom att representera radiosignalernas ändpunktspositioner (station och rymdfarkost) relativt den aktuella fokusnoden så krympte storleken på värdet när man navigerade nära fokusnoden och precisionsfelet hamnar i andra änden av linjen vilket inte är visuellt synligt.

För att göra rymdfarkosterna synliga på håll har en egen etikettklass implementerats där fokus legat på att göra så många farkoster synliga på samma gång utan att överhopa skärmen och utan att de överlappar varandra för mycket. Även här uppstod artefakter pga precisionsfel då man vill att etiketten ska vara synlig på väldigt långa avstånd från kameran. Detta problem löstes genom att sätta etiketten på ett fast avstånd från kameran i riktning mot rymdfarkosten. Eftersom den naturliga skalningen av att närma sig ett objekt då försvinner så lades det till funktionalitet som skalade om etiketten beroende på avstånd. Även funktionalitet för att blekna bort etiketterna vid olika avstånd implementerades för att undvika att etiketter hamnar ovanpå varandra när man zoomar långt ut i solsystemet och har kvar jorden som fokus.

Projektet har haft som övergripande fokus att ge en större förståelse för DSN, att ge en bild av dess ofantliga spann samt ge en tilltalande visualisering som funkar i den interaktiva miljö som OpenSpace är. Tanken är också att både lekmän och forskare ska kunna utforska datan och komma till egna insikter om DSN och dess kommunikation.

Github till vår branch av OpenSpace: https://github.com/OpenSpace/OpenSpace/tree/thesis/2018/dsn
Majoriteten av vårat kodbidrag ligger i “modules/dsn” samt “data/assets/solarsystem/dsn”, dock ej uteslutande.
Dock är datafilerna ännu inte på servern så kan enbart köras med tillgång till data-setet.

medlemmar

Lovisa Hassler
Agnes Heppich

Utbildning

Civilingenjör i Medieteknik, Linköpings Tekniska Högskola