8.0 Малогабаритные авионные системы – NASA
8.1 Введение
Авионика космического аппарата включает все электронные подсистемы, компоненты, приборы и функциональные элементы, обеспечивающие работу аппарата и выполнение его миссии. Это включает основные элементы управления полетом: командно-информационное обеспечение (CDH), полетное программное обеспечение (FSW) и авионика полезной нагрузки и подсистем. Эти элементы настраиваются в соответствии с конкретными архитектурами миссий, концепциями эксплуатации, средами разработки и применимыми стандартами. Коллективно авионическая система образует основную инфраструктуру, на которой зависят все функции космического аппарата – "мозг и нервная система" аппарата. Она обеспечивает управление, контроль, управление данными и интерфейсы связи со всеми подсистемами, будь то прямая точка-точка, распределенная, интегрированная или гибридная вычислительная архитектура.
В основе CDH-системы лежит FSW, работающее на бортовом компьютере (OBC), отвечающее за управление работой аппарата. Авионика CDH отвечает за обработку команд и телеметрии, реальное управление с использованием входных данных с датчиков, управление сетью и хранение данных, необходимых для выполнения требований миссии. В бортовом вычислительном оборудовании CDH-авионики входят OBC и специализированные интегральные схемы (IC) на OBC, поддерживающие критические функции аппарата, например, устройства памяти, контроллеры интерфейсов или компоненты обработки данных.
FSW состоит из программ или алгоритмов, работающих на CDH-авионике, и всех программ, работающих на различных подсистемах и полезной нагрузке. FSW обеспечивает инструкции, среду выполнения и логику автономности, позволяющие аппарату выполнять как рутинные, так и критические функции миссии, управлять работой подсистем, генерировать и передавать телеметрию.
По сути, основные функции авионики не сильно различаются между большими и малыми космическими аппаратами, поскольку цели миссии напрямую влияют на архитектуру авионики. В традиционных космических аппаратах и SmallSats авионическая система может быть как централизованной, так и распределенной, одноканальной или резервированной, модульной или монолитной. Важно учитывать необходимую вычислительную производительность, пропускную способность данных, устойчивость к воздействиям окружающей среды и толерантность к риску.
Традиционные крупные космические аппараты обычно являются высокоразмерными, тяжелыми, мощными и дорогими (SWaP-C) флагманскими системами с высокими требованиями к SWaP-C в проектировании авионики для снижения риска и повышения надежности. Напротив, SmallSats, особенно CubeSats, являются низкосваповыми системами, построенными с меньшими запасами, но с большей толерантностью к риску из-за более низкой стоимости. Хотя этот подход прост и снижает стоимость миссии, он уменьшает резервирование, которое может ввести одни точки отказа, и не масштабируется хорошо для миссий с высокоскоростными полезными нагрузками или передовыми требованиями к обработке, такими как сложная автономность, обработка данных или отказоустойчивые функции.
Прогресс в электронике и полупроводниковой инженерии, а также миниатюризация вычислений преобразовали авионику космических аппаратов, прежде всего для меньшего класса аппаратов, которые ранее были ограничены низким сваповым конвертом и, соответственно, низкой сложностью и резервированием. По мере того, как миссии становились более амбициозными, растущие требования к бортовой обработке, модульности и надежности привели к переходу к более мощным процессорам, распределенным вычислительным архитектурам и гибким фреймворкам FSW. Эти разработки теперь позволяют создавать проекты на уровне системы, платы и кристалла для малых космических аппаратов, включая CubeSats, которые могут достичь функционального паритета с более крупными аппаратами через распределенные архитектуры, резервирование на уровне системы через узлы и совместную обработку данных.
Когда миссии проникают в более динамичные или удаленные среды, передовые отказоустойчивые конструкции для повышения автономности и устойчивости становятся основными движущими силами в развитии авионики. Эти большие расстояния подразумевают, что повышенная вычислительная мощность на борту будет иметь высокую чувствительность к радиации. Стратегии смягчения, такие как таймеры сторожа, селективное циклическое включение питания и программное обеспечение для изоляции неисправностей, могут повысить надежность. Современная CDH-авионика использует методы радиационной защиты по конструкции (RHBD), отказоустойчивые архитектуры и подходы к смягчению ошибок, реализованные на уровне программного обеспечения, аппаратного обеспечения и схем.
Другие заметные тенденции включают использование высокоскоростных интерфейсов передачи данных для больших полезных нагрузок, бортовых ускораторов ИИ/МЛ для принятия решений в реальном времени и повышенное внимание к кибербезопасности для защиты командных и информационных каналов. Дополнительные тенденции включают использование коммерческих компонентов RFSoC для интерфейса с радиосвязью и системами управления ориентацией, требующими жестких реальных ограничений времени. Дальнейшие разработки включают бортовую автономность, управляемую ИИ/МЛ, и middleware FSW, предназначенное для констелляций SmallSats, поддерживающее управление ресурсами, планирование и назначение задач, а также отказоустойчивость.
8.1.1 Организация главы и оговорки
Учитывая распределенную и интегрированную природу современной авионики космических аппаратов, эта глава рассматривает бортовые вычисления и FSW отдельно, чтобы четко очертить возможности. Кроме того, готовность технологий для авионики может быть запутанной, поскольку все конструкции авионики космических аппаратов будут различаться в зависимости от миссии. Применение традиционной шкалы TRL NASA к бортовым вычислениям и FSW является сложной задачей, поскольку аппаратное и программное обеспечение авионики постоянно развиваются, часто через инкрементальные обновления, повторное использование компонентов и специфичную для миссии настройку, а не дискретные, тестируемые прототипы. Поэтому раздел 8.2 описывает текущее состояние бортовых вычислений, включая компоненты, такие как память, форм-факторы, интерфейсы и обработка информации, а также смягчение радиации. Коммерческие продукты перечислены в таблице 8-4 раздела 8.2.7. Среда FSW представлена в разделе 8.3, а раздел 8.4 представляет, что ожидается в развитии авионики. Информация, описанная ниже, не предназначена для исчерпывающего описания; она предоставляет обзор современных технологий и их состояния разработки для подсистем малых спутников.
Список организаций и компаний в этой главе не является исчерпывающим и не представляет собой одобрение со стороны NASA. Нет намерения отдавать предпочтение определенным компаниям или исключать другие на основе их технологий или отношений с NASA. Информация предоставляется только для ознакомления и руководства. Заявленная производительность может отличаться от фактической, поскольку информация не была независимо проверена экспертами NASA и основана на данных, предоставленных производителями или из открытых источников. Следует отметить, что обозначения TRL могут варьироваться в зависимости от конкретной полезной нагрузки, требований миссии, соображений надежности и среды, в которой была продемонстрирована производительность. Читателям настоятельно рекомендуется обращаться напрямую к компаниям для получения дополнительной информации о производительности и TRL описанной технологии.
8.2 Состояние технологий: Бортовые вычисления
Возможности бортовых вычислений определяются аппаратным обеспечением OBC, включая IC-чипы, отвечающие за выполнение инструкций и надежные вычисления в суровой среде космоса. Аппаратное обеспечение OBC – конструкция платы и форм-фактор, выбор процессора, архитектура памяти, кондиционирование питания, устойчивость к радиации – образует основу функций командно-информационного обеспечения космического аппарата. Второстепенные IC-чипы могут быть интегрированы в OBC, включая процессоры для вычислений, компоненты памяти, такие как ОЗУ и Flash для хранения данных, и ПЛИС для гибких логических операций. Эти компоненты позволяют OBC общаться с подсистемами, хранить данные и взаимодействовать с датчиками, хотя все основные вычислительные функции выполняются процессором внутри OBC. Коллективно эти возможности обеспечивают управление в реальном времени, выполнение команд, генерацию телеметрии, хранение данных и координацию подсистем. Эти функции могут быть реализованы несколькими способами, и достижения в авионике теперь предлагают больше вариантов для миссий малых спутников с низким SWaP-C.
Способ использования OBC определяет архитектуру авионики; в частности, как распределяются управление, принятие решений и обработка данных. Это распределение может происходить через единую централизованную власть или через подсистемы с собственными процессорами или микроконтроллерами, выполняющими значимые функции. Если основной OBC отвечает за все командование, включая управляющие циклы, командование подсистем, обработку и маршрутизацию данных, ведение времени и планирование, а также обнаружение неисправностей, то архитектура авионики является централизованной, поскольку единый источник выполняет все значимые функции. Напротив, если основной OBC общается с дополнительными компонентами поддержки, которые могут работать без команд от OBC, то архитектура распределена на уровне подсистем. Архитектуры, в которых обработка информации распределена по нескольким узлам, могут практически устранить проблемы с единой точкой отказа, поскольку система не зависит от одного вычислительного элемента.
Текущие тенденции в бортовых вычислениях малых спутников в целом отражают тенденции более крупномасштабных систем, подчеркивая большую вычислительную мощность и эффективность. Централизованные конструкции авионики остаются распространенными благодаря своей простоте, более низкой стоимости и простоте интеграции с использованием одноплатного OBC. Однако более сложные миссии малых спутников и CubeSats теперь имеют осуществимые решения для использования компонентов с более высокой производительностью или распределенных архитектур авионики. Факторы, которые следует учитывать при выборе решений для бортовых вычислений, включают форм-факторы вычислений (как формируется OBC), улучшения обработки информации, схемы смягчения и устойчивости к радиации, память и электрические интерфейсы шины. Стоимость и доступность, вероятно, являются основными факторами при выборе конструкции подсистемы CDH от конкретного производителя, хотя многие группы разрабатывают пользовательские платформы CDH. Возможность распределения затрат на не повторяющиеся инженерные работы по нескольким миссиям и снижение затрат на разработку программного обеспечения за счет повторного использования являются желательными в конкурентном рынке. Наследственные конструкции хорошо подходят для клиентов, которые хотят выбрать компоненты с доказанной надежностью для своей миссии, при условии, что ключевые компоненты все еще находятся в производстве.
8.2.1 Смягчение и устойчивость к радиации
На орбите космическая радиация является важным фактором, который следует учитывать при проектировании авионической системы, и эффекты радиации на электронные устройства могут сильно варьироваться. Эффекты радиации часто классифицируются на долгосрочные кумулятивные эффекты и кратковременные однократные эффекты (SEEs). Долгосрочные эффекты измеряются общей ионизирующей дозой (TID) и дозой смещения повреждения (DDD). TID, измеряемая в крадах, представляет собой ионизирующее излучение, поглощенное материалом устройства за время, вызывающее параметрическое или функциональное ухудшение устройства. DDD представляет собой неионизирующее повреждение, вызванное столкновениями частиц с конструкцией устройства за время. SEEs возникают, когда один радиационный частица наносит достаточно заряда, чтобы вызвать эффект. SEEs могут быть разрушительными или неразрушительными. Однократные сбои (SEUs) являются неразрушительными SEEs, которые могут повлиять на логическое состояние ячейки памяти. Однократные захваты (SELs) являются разрушительными SEEs, которые проявляются как паразитные структуры в логике CMOS или биполярных транзисторных структурах, потенциально вызывая состояние высокого тока. Полеты в планетарное пространство или более длительные миссии на низкой околоземной орбите (LEO) заставляют разработчиков учитывать требования к надежности и включать стратегии смягчения радиации в свои конструкции космических аппаратов. Для миссий в более суровых средах космический опыт и продемонстрированная радиационная производительность становятся основными дифференциаторами при выборе электроники, особенно по сравнению с конструкциями, которые сильно полагаются на коммерческие компоненты (COTS). Напротив, экспериментальные, высокорисковые миссии обычно фокусируются на низкозатратных, легко разрабатываемых системах, которые используют открытые программные и аппаратные средства для обеспечения простого входа в разработку космических систем, особенно для хобби или тех, кто не обладает специфическими знаниями в области космических аппаратов. CubeSats часто состоят либо только из компонентов COTS, либо из гибридной комбинации компонентов COTS, радиационно-устойчивых и радиационно-жестких компонентов. Стандартный подход в авионике малых спутников традиционно заключался в использовании компонентов COTS (например, процессора и памяти) в сочетании с радиационно-жесткими электронными компонентами, такими как ECC, таймеры сторожа, очистка и резервирование, для максимального использования преимуществ обеих технологий. Эти конструкции также могут включать методы смягчения радиации для дальнейшего повышения общей надежности системы. Компоненты COTS обычно предлагают лучшую производительность, энергоэффективность и доступность по сравнению с их радиационно-жесткими аналогами; однако устройства COTS склонны быть высокочувствительными к радиации. Миниатюризация электроники, датчиков и приборов позволила производителям космических аппаратов использовать больше квалифицированных для космоса компонентов. Преимущества компонентов COTS позволили создать низкозатратные конструкции CDH, а также позволили разработчикам использовать передовые технологии в своих конструкциях. Возникающая тенденция заключается в принятии методов радиационной защиты по конструкции (RHBD) в коммерческих полупроводниковых процессах. В подходах RHBD компании изменяют транзисторы, ворота и физические компоновки внутри кремния, чтобы кристалл был изначально более устойчив к радиации. Эти методы включают специализированные топологии схем, жесткие стандартные библиотеки ячеек и радиационно-осведомленные практики компоновки, обеспечивающие защиту от SEUs, логических сбоев, вызванных SET, функциональных сбоев и захватов. Высокопроизводительные процессоры все чаще используют селективное упрочнение для наиболее уязвимых блоков, применяя архитектурное резервирование только там, где это необходимо, чтобы избежать чрезмерного потребления мощности или площади.