Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка бортового комплекса управления на базе технологии система на кристалле для цифровой платформы сверхмалого космического аппарата

Докладчик: Ханов Владислав Ханифович

Должность: доцент кафедры безопасности информационных технологий, доцент, к.т.н.

Цель проекта:
Реализуемый проект направлен на решение комплекса научно-технических проблем, возникающих при создании перспективных бортовых систем управления космическими аппаратами. Цель проекта - разработка, изготовление и проведение функциональных испытаний экспериментального образца бортового комплекса управления сверхмалого космического аппарата, созданного по технологии «система на кристалле».

Основные планируемые результаты проекта:
Основные планируемые результаты:
- концепция цифровой платформы сверхмалого космического аппарата (СМКА);
- архитектура бортового комплекса управления (БКУ), созданного по технологии «система на кристалле» (БКУ-СнК);
- метод инъекции аппаратных ошибок во внутреннюю память soft-процессора
- отказоустойчивая версия сложно-функционального блока кодека SpaceWireLight;
- компьютерная модель HDL-проекта БКУ-СнК;
- тестовое программное обеспечение БКУ-СнК;
- эскизная конструкторская документация экспериментального образца БКУ-СнК;
- экспериментальный образец БКУ-СнК;
- результаты функциональных испытаний экспериментального образца БКУ-СнК.

Основные характеристики планируемых результатов.
Цифровая платформа должна состоять из следующих подсистем:
- подсистема служебных модулей;
- подсистема полезной нагрузки.
Подсистема служебных модулей должна состоять из: модуля питания, процессорного модуля, приемо-передающего модуля.
Подсистема полезной нагрузки должна обеспечивать исполнение целевого функционала космической миссии. Назначение подсистемы полезной нагрузки, ее состав и требования к ней определяются назначением конкретной космической миссии.
Вид цифровой платформы по способу взаимодействия модулей должен быть сетевым.
Архитектура БКУ-СнК должна обеспечивать низкие массогабаритные показатели, а также сетевой способ взаимодействия бортовых систем и полезной нагрузки.
Тип архитектуры вычислителя процессорного модуля должен быть «система на кристалле» (СнК).
Процессорное ядро должно быть Leon3.
Сетевая технология должна быть SpaceWire.
Архитектура должна быть разработана для ПЛИС типа FPGA.
Метод инъекции аппаратных ошибок должен обеспечивать отработку сбоеустойчивости процессора к одиночным сбоям.
Метод инъекции для своей реализации не должен приводить к избыточности ПЛИС более 10%.
Отказоустойчивая версия кодека SpaceWireLight должна быть основана на защите от ошибок буферной памяти.
Аппаратная избыточность буферной памяти при реализации отказоустойчивого кодека SpaceWireLight в ПЛИС должна быть не более 10 %.
Отказоустойчивая версия кодека SpaceWireLigh не должна сказываться на изменении скорости передачи данных в сети SpaceWire.
Компьютерная модель БКУ-СнК должна быть разработана на языке VHDL.
При разработке компьютерной модели должны быть использованы только открытые сложные функциональные блоки.
Функциональная верификация компьютерной модели должна быть выполнена в среде ModelSim.
Функциональная верификация модели БКУ-СнК должна выполняться в большей мере с помощью тестового программного обеспечения, используя, по возможности, анализ временных диаграмм.
Тестовое программное обеспечение должно обеспечивать как проверку составных частей в отдельности, так и в целом всего БКУ-СнК.
Программные тесты, выполняемые в компьютерной модели, должны исполняться в экспериментальном образце БКУ-СнК. Результаты исполнения программных тестов в экспериментальном образце должны быть не хуже результатов исполнения соответствующих тестов в компьютерной модели.
Полнота верификации должна обеспечить покрытие всех элементарных функций БКУ-СнК, количество программных тестовых воздействий должно быть не менее 100.
Экспериментальный образец устройства БКУ-СнК предназначен для апробирования разработанных научно-технических решений.
В состав экспериментального образца устройства БКУ-СнК должны входить: процессорный модуль, включающий СнК, внешнее ОЗУ и ПЗУ; маршрутизирующий коммутатор сети SpaceWire; измерительные датчики системы ориентации, температуры, энергопотребления.
Экспериментальный образец устройства БКУ-СнК должен обеспечивать:
- выполнение процессорным модулем чтения данных из ПЗУ;
- выполнение процессорным модулем чтения/записи данных из ОЗУ;
- выполнение процессорным модулем загрузки операционной системы реального времени;
- выполнение процессорным модулем программ, как под управлением операционной системы, так и нет;
- сбоеустойчивость процессора Leon3 процессорного модуля к одиночным ошибкам;
- обработку исключительных ситуаций процессорного модуля;
- прием, обработку и отправку пакетов сети SpaceWire;
- обработку исключительных ситуаций при приеме, обработке и отправке пакетов SpaceWire;
- отказоустойчивость к ошибкам приема пакетов в отказоустойчивом кодеке SpaceWireLight;
- выполнение маршрутизирующим коммутатором маршрутизации пакетов сети SpaceWire;
- изменение конфигурации маршрутизирующего коммутатора;
- обработку исключительных ситуаций маршрутизирующего коммутатора;
- получение информации с датчиков системы ориентации, температуры, энергопотребления.
Требования к техническим характеристикам экспериментального образца устройства БКУ-СнК:
- тактовая частота процессора – 25 МГц, не менее;
- размер оперативной памяти– 8 Мбайт, не менее;
- количество портов маршрутизирующего коммутатора SpaceWire – 4, не менее;
- скорость по сети SpaceWire – 100 Мбит/с, не менее.
Экспериментальный образец устройства БКУ-СнК должен иметь модульную конструкцию.

Новыми техническими решениями являются:
- сетевая архитектура сопряжения бортовой аппаратуры сверхмалого космического аппарата;
- метод инъекции аппаратных ошибок для отработки сбоеустойчивости процессора к одиночным сбоям;
- пакетная конструкция БКУ-СнК, обеспечивающая сетевое взаимодействие подсистем;
- сложно-функциональный блок отказоустойчивого кодека SpaceWire.

Результаты разработки соответствуют мировому уровню создания СнК систем управления космическими аппаратами.

Достижение заявленных результатов достигается:
- имеющимся опытом в разработке СнК-проектов;
- достаточным уровнем лабораторно-технической базы исполнителя проекта;
- классической последовательностью разработки, включающей компьютерное моделирование, разработку технической документации, изготовление экспериментального образца и его испытания.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основным результатом проекта является БКУ-СНК цифровой платформы СМКА. Применение БКУ-СНК имеет следующие области применения:
- проектирование, изготовление и эксплуатация СМКА, в том числе университетскими и научными центрами в РФ;
- вовлечение учащихся вузов в сферу разработки космической аппаратуры;
- летная отработка новых технических решений в области космического приборостроения для нужд предприятий космической промышленности.

Результаты исследования и разработки в виде отчета, конструкторской и программной документации, программы и методики испытаний, протокола испытаний и инженерный образец устройства БКУ-СНК будут представлены потенциальным заказчикам, которыми в настоящее время могут быть:
- инновационные предприятия, занимающиеся тематикой малых и сверхмалых космических аппаратов ООО «НПЦ МКА-СибГАУ» г. Красноярск, ООО «Спутникс» г. Москва, группа компаний «Dauria Aerospace» г. Москва;
- университетские научные центры Томска, Самары, Санкт-Петербурга, Москвы и другие;
- предприятия космической индустрии России ФГУП «НПО им. С.А. Лавочкина», КБ «Арсенал», ОАО «Информационные спутниковые системы» и другие.

БКУ-СНК, как в целом и вся цифровая платформа, будет иметь открытую спецификацию для интегрирования полезной нагрузки в свой состав. Это позволит быстро разрабатывать модули полезной нагрузки для СМКА и тем самым расширить круг потенциальных потребителей результатов разработки.

Текущие результаты проекта:
Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы. Обзор позволил изучить современную практику и выявить тенденции электронного космического приборостроения при создании бортовых систем управления космическими аппаратами, определить круг перспективных технических решений для проектирования БКУ-СНК сверхмалого космического аппарата.

Разработана концепция цифровой платформы сверхмалого космического аппарата (СМКА), определяющая основные принципиальные решения для проектировании подсистем СМКА, в том числе и бортового комплекса управления (БКУ), создаваемого как система на кристалле (БКУ-СнК). Основными положениями концепции являются:
- применение форм-фактора СМКА класса CubeSat;
- интегрирование подсистем или элементов подсистем на одной печатной плате;
- модульно-стековая (пакетная) конструкция радиоэлектронного блока СМКА, состоящего из нескольких печатных плат, электрически связанных с помощью межплатных разъемных соединителей без применения кабельной сети;
- сетевая архитектура информационного взаимодействия подсистем СМКА на основе технологии SpaceWire;
- применение резервирования каналов SpaceWire для повышения надежности информационного взаимодействия подсистем СМКА.

Проведены патентные исследования, в ходе которых была подтверждена актуальность проводимого проекта, соответствие данного исследования существующим тенденциям развития мировой науки.

Проведена разработка нескольких возможных вариантов построения БКУ-СнК, отличающихся степенью интегрирования в одном кристалле подсистем и/или элементов подсистем. В качестве рабочего обоснован вариант БКУ-СнК оптимально сочетающий высокую степень интеграции подсистем в одном кристалле с издержками реализации тех или иных технических решений.

Разработана архитектура БКУ-СнК, основанная на открытых технологиях и стандартах и возможностях ПЛИС типа FPGA, определенных в качестве основной элементной базы разработки, при ограничениях, характерных для СМКА.
БКУ-СнК имеет следующие основные отличительные особенности:
- на печатной плате БКУ-СнК располагается процессорный модуль, реализованный как система на кристалле, и элементы управления подсистемы электропитания СМКА;
- процессорный модуль интегрирует в одном кристалле три подсистемы: бортовой компьютер, маршрутизирующий коммутатор и аппартное обеспечение подсистемы сбора телеметрической информации;
- подсистемы интегрируются на базе внутрикристальной шины AMBA;
- процессором бортового компьютера является Leon3;
- маршрутизирующий коммутатор является аппаратным на основе коммутационной матрицы;
- реализация подсистемы телеметрии/телекоманд возлагается на программное обеспечение бортового компьютера.

Полученные результаты соответствуют требованиям технического задания на проведение ПНИ, перспективы результативного завершения проекта высокие.