أطلق مبتكر القمر الاصطناعي الصغير "بيزات-1" من جامعة برلين التقنية بصاروخ هندي في خريف عام 2009 إلى مدار مرتفع نسبيا يزيد ارتفاعه عن 700 كيلومتر فوق الأرض. والغرض منه ليس فقط أن يكون نموذجًا لبقية عائلة Beesats، ولكن أيضًا لإثبات أن الأقمار الصناعية الصغيرة أو البيكومترية التي تزن أقل من كيلوغرام يمكنها أيضًا أداء وظائف تقنية مماثلة لإخوانها الكبار. ولكن بحلول عام 2013، لم يعد هذا الجسم السماوي يخدم أي غرض. ولم يعد بإمكانه إرسال أي بيانات مفيدة إلى الجامعة. وبقليل من الحيل، تمكن أحد القراصنة واسعي الحيلة من إصلاح الجسم الطائر من الأرض وجعله يعمل بكامل طاقته مرة أخرى على مدار العشرين عامًا القادمة على الرغم من فشل آلية التحديث.
ما بدا وكأنه قصة خيالية أصبح حقيقة، كما كشف الهاكر PistonMiner يوم السبت في مؤتمر الفوضى الثامن والثلاثين للاتصالات (38C3) في هامبورغ. تم إطلاق Beesat-1 إلى الفضاء كواحد من أوائل الأقمار الصناعية المكعبة بحجم كف اليد، بأبعاد خارجية تبلغ حوالي 10 × 10 × 10 سم مكعب. والغرض الرئيسي منه هو إظهار أداء عجلات التفاعل الدقيقة المطورة حديثًا والتقنيات الأخرى للأقمار الصناعية الصغيرة.
وفي عام 2011، بدأ بيسات-1 في إرسال بيانات قياس عن بعد غير صالحة لأول مرة. يهتم المطورون بشكل خاص بهذه المعلومات الأولية التي يتم جمعها تلقائيًا. وبعد فترة من الوقت، يتحول المشغل إلى جهاز كمبيوتر ثانٍ على متن الطائرة، وترسل وحدة الاتصالات المقابلة البيانات المرغوبة للباحثين إلى برلين. ومع ذلك، في عام 2013، واجه الكمبيوتر الثاني أيضًا مشكلات. ولم يكن أمام الباحثين في الجامعة التقنية الألمانية خيار سوى إيقاف العمليات بشكل أساسي. يمكنهم فقط التحقق مرة واحدة كل بضع سنوات لمعرفة ما إذا كان القمر الصناعي لا يزال يستجيب للأوامر.
قوة حوسبة قوية مثل وحدة التحكم في الألعاب
وتهتم شركة PistonMiner، التي لديها شراكة مع الجامعة التقنية الألمانية (TU)، بشكل خاص بإحياء Beesat-1 لأنه يمتلك مدارًا أعلى وسيبقى في الفضاء لسنوات قادمة. تم حرق جميع أحفاد السلسلة الآخرين تقريبًا في الغلاف الجوي. لحل المشكلة، أراد الطالب أولاً معرفة كيفية عمل هذا الصديق الصغير من الأرض. ووفقا له، يحتوي القمر الصناعي Beesat-1 على حافلتين من نوع CAN، وهي شائعة جدًا في السيارات. يتكون نظام الاتصالات من خطين زائدين وهوائي وجهاز إرسال واستقبال ووحدة تحكم العقدة الطرفية (TMC)، بسرعة اتصال تبلغ 4.8 كيلوبت في الثانية.
يتميز الكمبيوتر الموجود على اللوحة بوجود وحدتي تحكم دقيقتين معتمدتين على ARM-7 بسرعة 60 ميجاهرتز، مما يمنح PistonMiner قوة الحوسبة لوحدة التحكم في الألعاب. يحتوي على ذاكرة برنامج تبلغ سعتها 16 ميجابايت، ومن حيث المبدأ يمكن تحميل البرنامج عبر أوامر التحكم عن بعد بعد الإقلاع. يتم تخزين البيانات المسجلة في ذاكرة القياس عن بعد بسعة 4 ميجابايت. يوجد أيضًا 2 ميجابايت من ذاكرة الوصول العشوائي (SRAM). وبسرعة 7.5 كيلومتر في الثانية، يستغرق القمر الصناعي Beesat-1 100 دقيقة للدوران حول الأرض. ومن خلال التواصل معها من برلين، استغرقت كل رحلة من الرحلات الجوية الستة خلال 24 ساعة 15 دقيقة فقط على الأكثر. تعتبر أوقات الإرسال الأقصر واقعية وممكنة.
يوفر "القمر الصناعي Frankenstein-Bee" الوضوح
وبينما اعتقد المشغلون في البداية أن الإشعاع الفضائي هو السبب الرئيسي للصعوبات، أشار PistonMiner إلى أن ذلك كان خطأً برمجيًا. ومن بين الأسباب الأخرى، وجدت أيضًا العديد من الأصفار في إطارات بيانات القياس عن بعد "الفارغة"، والتي أرسلتها CubeSats فقط بعد مارس 2013. وهذا يضيق نطاق البحث عن الوظائف التالفة بحيث يقتصر على تلك التي يمكنها الكتابة على ذاكرة فلاش. المشتبه به الرئيسي هو عداد التمهيد الموجود على الكمبيوتر، والذي يحتوي على جميع الوظائف اللازمة لإنشاء الصفر.
لإثبات نظريته، قام PistonMiner بتجميع "القمر الصناعي Frankenstein Bee" لأنه لم تعد هناك نماذج اختبار فعلية على الأرض بعد الآن. وهذا يوفر له طريقة للاختبار والتصحيح عبر JTAG. وكان أيضًا قادرًا على الحصول على معظم الثنائيات وكود المصدر والوثائق، ولكن كان عليه تعديلها يدويًا في أماكن مختلفة. على سبيل المثال، يمكنه تجربة الأوامر عن بعد لتنفيذ التعليمات البرمجية وتثبيت صورة برنامج بحجم 300 كيلو بايت.
أثبت مؤشر جدول الوظائف الافتراضي المكتوب بلغة C++ والذي يغطي المعلومات الموجودة على Beesat-1 أنه مفيد بشكل خاص. في نهاية المطاف، يمكن اختطاف كل من مؤشرات Vtable وتدفق التحكم (أي الترتيب الذي يتم به تنفيذ التعليمات في البرنامج). هذا هو الأساس لإدخال التعليمات البرمجية الخاصة بك إلى النظام. ومن ثم، يجب معالجة مشكلة عرض النطاق الترددي. في حين تم التخطيط لدعم الأوامر عن بعد ذات الصلة لتحديثات أكبر، إلا أن ذلك لم يتم تنفيذه بعد. ونتيجة لذلك، كان على PistonMiner إعادة ضبط أنظمة الاتصالات الخاصة بها لتجنب الاضطرابات قدر الإمكان.
الكاميرا ترسل الصور إلى الأرض مرة أخرى
وبعد إجراء بعض التصحيحات، أرسل الطلاب الصور اللازمة إلى Beesat-1 في عدة جولات، مما جعل نظام القياس عن بعد يعمل بكامل طاقته مرة أخرى. في سبتمبر، تم إجراء تحديث برنامج مماثل لإعادة CubeSats إلى حالة المصنع. أثناء هذه العملية، اكتشف PistonMiner أيضًا أن الكاميرا الموجودة على اللوحة، والتي كان يُعتقد في الأصل أنها معطلة، تم تشغيلها فجأة تلقائيًا. يحدث هذا بسبب ثغرة أمنية صغيرة في الكود، حيث يقوم أمر إخراج محتويات الذاكرة أيضًا بإرشاد الكاميرا لالتقاط صورة. تمكن أحد المتسللين من إرسال صورة بحجم 9480 بايت لسطح الأرض عبر زر التنزيل، على الرغم من أن التعريض التلقائي لم يعمل بشكل جيد وفقًا له.
ومن حيث المبدأ، يمكن الآن استخدام Beesat-1 لإجراء التجارب مرة أخرى. ويمكن لهواة الراديو أيضًا استخدام الطائرة للحصول على إشارات راديوية لخدمات البحث والإنقاذ بالإضافة إلى أجهزة الإرسال الملاحية والرقمية، أي تشغيل محطات الإرسال والاستقبال تلقائيًا لإعادة توجيه البيانات بين محطتي راديو. ليس هناك شك في أن PistonMiner يريد أن يظل القمر الصناعي على قيد الحياة لأطول فترة ممكنة. كما يرى أن العملية التي أجراها "بإذن" هي نموذج للتعامل مع أقمار صناعية أخرى لم تعد تؤدي مهامها.