Beágyazott rendszerek az űrkutatásban Dr. Szalai Sándor szalai@sgf.hu 2010.12.13. szalai@sgf.hu 1
Tartalomjegyzék Bevezetés Különleges követelmények Minőségbiztosítás Hardver előírások Szoftver előírások Tesztelések Hazai alkalmazási példák Beágyazott rendszerek csoportosítása VEGA Rosetta ISS Tudás hasznosítás Repülőipar 2010.12.13. szalai@sgf.hu 2
Különleges követelmények Megbízhatóság Igen költséges fejlesztés Bolygóközi missziók esetében az ismétlés csak több év elteltével Javítás kizárt vagy igen korlátozott (ISS) Földkörüli pályán igen költséges az űrsiklókkal (Huble space telescope) Szoftver módosítás az utóbbi 15 évben megvalósítható Környezeti hatások Indítási mechanikai hatások: tápszivattyúk, láng lobogás, lineáris gyorsulás Sugárzási terhelés: napszél, kozmikus sugárzás, bolygók körüli mágneses tér Hő viszonyok tervezése, hővezetés csak a szerkezeti elemek révén Hosszú definíciós és fejlesztési fázis Űrszonda összeállításának optimalizálása fogyasztás, súly és a várható új tudományos eredmények szempontjából Új tudományos információ csak az új elven működő műszerek révén Modellek: súly és térfogat, hő, elektromos, mérnöki, minősítő, repülő és tartalék Hosszú élettartam 2010.12.13. szalai@sgf.hu 3
Minőségbiztosítás Hardver előírások Konstrukció Kártyák, detektorok rezgés érzékenysége (rezonancia) ESA saját előírásai High-reliability soldering for surface-mount and mixed technology printed-circuit boards ESA PSS-01-738 Evaulation of process for the repair of area array and other surface mounted packages ESA STM-272 ECSS - European Cooperation for Space Standartisation (ECSS-S-ST-00) Space Product Assurance ECSS-Q-70-08A Ajánlott alkatrészek jegyzéke (space qualified) Közös beszerzések, árcsökkentés ESA minősített szerelők Szoftver előírások ESA saját előírásai és az ECSS szabvány ESA software engineering standards ESA PSS-05-0 ECSS-Q-ST-80C NASA saját előírásai ADA használata (Cassini) 2010.12.13. szalai@sgf.hu 4
Minőségbiztosítás 2010.12.13. szalai@sgf.hu 5
Minőségbiztosítás 2010.12.13. szalai@sgf.hu 6
Minőségbiztosítás 2010.12.13. szalai@sgf.hu 7
TEST facilities at KFKI RMKI Hő-vákuum kamra V <0,8 m 3,, T = ±80 ºC Vibrációs asztal ESA, NASA, RKA követelményeket kielégít 10 kg-ig 2010.12.13. szalai@sgf.hu 8
TEST facilities at KFKI RMKI Hő-vákuum kamra V <0,8 m 3,, T = ±80 ºC Vibrációs asztal ESA, NASA, RKA követelményeket kielégít 10 kg-ig 2010.12.13. szalai@sgf.hu 9
TEST facilities at ESTEC 2010.12.13. szalai@sgf.hu 10
TEST facilities at ESTEC 2010.12.13. szalai@sgf.hu 11
TEST facilities at ESTEC 2010.12.13. szalai@sgf.hu 12
TEST facilities at ESTEC 2010.12.13. szalai@sgf.hu 13
Hazai alkalmazási példák Alkalmazásuk szerinti felosztás Műszerek együttesének (űrszonda) vezérlése (Phobos leszállóegység, SXG, Rover, ISS-PWC, Rosetta leszállóegység ) Földi ellenőrző-berendezés műszer vagy műszer együttes tesztelésére (VEGA, Phobos, Cassini, Mars-96, Rosetta, Rosetta Philae, MarsExpress, VenusExpress, ISS-PWC, BepiColombo) Egy kísérlet autonóm működésének biztosítása (VEGA TV, Mars-96 részecske detektorok, Pille dózis mérők fedélzeti kiértékelője, SAS hullámmérők) 2010.12.13. szalai@sgf.hu 14
Phobos Két szonda indítása 1998 decemberében Két leszállóegység Mindkét szondával megszakadt a kapcsolat, a leszállóegységek nem kerültek aktiválásra 2010.12.13. szalai@sgf.hu 15
Phobos KFKI RMKI fejlesztette a leszállóegység központi számítógépét A hibatoleráns számítógép vegyes tartalékolású Melegtartalékolt memoria Hidegtartalékolt processzor 2010.12.13. szalai@sgf.hu 16
Orosz (RKA) szervezésű, csillagászati műhold KFKI RMKI fejlesztette a központi vezérlő és adatgyűjtő számítógépet A repülő példány elkészülte után, 1997- ben a KFKI RMKI felfüggesztette a részvételt Jelenleg is folyik a fejlesztése Spectr X-Ray Gamma 2010.12.13. szalai@sgf.hu 17
SRG Adatgyűjtő és vezérlő busz a Mil1553Std szabvány szerint Kettős tartalékolású rendszer (3 azonos modul, galvanikus leválasztású belső buszon egymás ellenőrzése) A földi ellenőrző berendezés adatszétosztó funkciót is biztosított 2010.12.13. szalai@sgf.hu 18
Rover Orosz, Francia, Spanyol és KFKI RMKI együttműködésben (1992-1997), két demonstrációs változat készült KFKI RMKI fejlesztette a vezérlő és adatgyűjtő számítógép rendszert (5 processzor) és az alapszoftvert Oroszok a járműt, franciák a képfeldolgozáson alapuló akadály kikerülési szoftvert, spanyolok a manipulátort 2010.12.13. szalai@sgf.hu 19
Két 32 bites transputer, képfeldolgozásra ill. manipulátor vezérlésre Minden tengelyben 16 bites Intel processzor a kerékvezérlésre Mindkét processzorra saját fejlesztésű Realtime multitaszkos operációs rendszer A kapcsolat a processzorok közt a soros Mil1553Std szerint (súly, kábel hajlékonyság) Rover 2010.12.13. szalai@sgf.hu 20
Rosetta 2004 márciusában indult, és 2014 novemberében fog az öt éves periódus idejű üstökös magjára leszállni Az SGF és KFKI RMKI az orbiteren részecske analizátort (Rosetta Plasma Consortium) és a Philae leszállóegységen a központi számítógépet fejlesztette (Command and Data Management System CDMS) 2010.12.13. szalai@sgf.hu 21
Rosetta Lander Processzor kiválasztás: minimális fogyasztás, 16 bit, Radhard -> Harris RTX2010 Hibatoleráns architectura 2 processzor Pont-pont kapcsolatú redundáns adatgyűjtő rendszer Közös elektronikai egység Repülő példányok gyártása Németországban Kiegészítő áramkörök a szoftver fejlesztés támogatására 2010.12.13. szalai@sgf.hu 22
Rosetta Lander Processzor kiválasztás: minimális fogyasztás, 16 bit, Radhard -> Harris RTX2010 Hibatoleráns architectura 2 processzor Pont-pont kapcsolatú redundáns adatgyűjtő rendszer Közös elektronikai egység Repülő példányok gyártása Németországban Kiegészítő áramkörök a szoftver fejlesztés támogatására 2010.12.13. szalai@sgf.hu 23
Rosetta Lander Processzor kiválasztás: minimális fogyasztás, 16 bit, Radhard -> Harris RTX2010 Hibatoleráns architectura 2 processzor Pont-pont kapcsolatú redundáns adatgyűjtő rendszer Közös elektronikai egység Repülő példányok gyártása Németországban Kiegészítő áramkörök a szoftver fejlesztés támogatására 2010.12.13. szalai@sgf.hu 24
Rosetta Lander Processzor kiválasztás: minimális fogyasztás, 16 bit, Radhard -> Harris RTX2010 Hibatoleráns architectura 2 processzor Pont-pont kapcsolatú redundáns adatgyűjtő rendszer Közös elektronikai egység Repülő példányok gyártása Németországban Kiegészítő áramkörök a szoftver fejlesztés támogatására 2010.12.13. szalai@sgf.hu 25
Rosetta Lander Processzor kiválasztás: minimális fogyasztás, 16 bit, Radhard -> Harris RTX2010 Hibatoleráns architectura 2 processzor Pont-pont kapcsolatú redundáns adatgyűjtő rendszer Közös elektronikai egység Repülő példányok gyártása Németországban Kiegészítő áramkörök a szoftver fejlesztés támogatására 2010.12.13. szalai@sgf.hu 26
Command & Data Management System APX Radio System CIVA ROLIS CONSERT Service System ROMAP COSAC PTOLEMY CDMS SESAME MUPUS Anchor Drill & Sampler Landing- Gear Thermal Subsystem Power & Pyro Subsystem M. Power & Pyro Subsystem R. Active Descent Ss Point to Point Data Acquisition and Control Connection 2010.12.13. szalai@sgf.hu Power Bus +/-5 V, +/-12 V, +28 V 27
Command & Data Management System MM EEPROM 16 Mbit Main EDAC SRAM 16 Mbit Main EDAC Power Subsystem Interface 7 PowerSystem RF switch Umbilical to Orbiter Telecom RF-Unit (RX/TX) Opto couplers RX I/F Data Processing Unit Main (DPU1) Central I/F Unit 1 (CIU-1) Central I/F Unit 2 (CIU-2) 3 3 3 3 APX,... Main Debugger Bidirectional Serial Connections APX,... Redundant Debugger Emergency HW TC Decoder (ETCD) Real-time Clock (RTC) APX,... = 8+7 units Oscillators CDMS 2010.12.13. szalai@sgf.hu 28
Command & Data Management System +5 V Processor Harris RTX 2010RH Latching Current Limiter Vcc PROM 16k x 16 Harris HS-6664RH RAM 128k x 24 Honeywell HX6656 Control Data Address EEPROM 128k x 24 Atmel AT28C010 EDAC Umbilical TX/RX RTC Oscillators INTERFACE Interrupt Controller Watch dog Timer Memory I/F Umbilical I/F TX/RX I/F Mass Memory I/F I/F to CIU HW TC Decoder Cntrl FPGA Actel A1280RH To Mass Memory To CIU Subsystems' & Instruments' IF 2010.12.13. szalai@sgf.hu 29
Command & Data Management System Indítás Indító szoftver Alapszoftver tömörített formában PROM 16 kw RAM 128 kw (16+8 bit) Hamming hibajavítás Adatmemória, belsõ adatok tárolására 1 2 3 4 Kódmemória, futtatható szoftver PROM és/vagy EEPROM memóriákból µp TC HTCD Üzemmód és müködtetési adatok Tárolt parancsok Javítások EEPROM 128 kw (16+8 bit) Hamming hibajavítás Teljes szofter CRC Földi parancs fogadó memória Kitömörített betöltés PROM-ból EPROM-ból betöltés Javítások betöltése Javítási és hibafelismerési út 2010.12.13. szalai@sgf.hu 30
Command & Data Management System Fort nyelvre optimalizált hardver architektúra Gépi nyelvű programozás Korlátozott szolgáltatású Forth fordító Saját fejlesztésű valós idejű (Real-Time) sokfeladatos (Multitasking) operációs rendszer Korai szakaszban (2001 vége) ROM változat beégetése Statikus és dinamikus működést leíró táblázatok Rendszerállapotok, parancsok párhuzamos elmentése a két processzorban SDL idő kritikus program futás (Separation Descent Landing) Energia egyensúly biztosítása Akkumulátor kezelése az extended missziószakaszban, éjszakából ébredés Kapcsolat keresés az orbiterrel 2010.12.13. szalai@sgf.hu 31
CDMS szoftver Orbiter 16 kbit/sec EVENTS High Resolution Timer List of AMDTs & AMSTs Current AMDT Exit Criteria Monitor Payload Request Monitor 1 2. N Umbilical Queue Queue Telecom. Receiver Queue Mass Memory (2 Mbyte) Queue Real-time Interrupt 1 sec SW Timers Current AMDT & AMST HW, SW Devices SCHEDULER High Priotity Interrupt Service Routine Onboard Time Task Power S/S Manag. Thermal S/S Manager System Related S/S's Manag. Payload Backup RAM Manag. Stored Telecomm. Manag. Health Status Monitor Sc.Data Collect. and Packet Format MPX HK Data Collect. and Packet Format EXECUTIVE 2010.12.13. szalai@sgf.hu 32
VEGA 1984 decemberében két szonda indult a Vénusz és a Halley üstökös kutatására A Vénusz megközelítése után 1986 március 6 & 9 találkozott a Halley üstökössel 2010.12.13. szalai@sgf.hu 33
VEGA Találkozásnál a közeli szakasz 15 perc volt, a reakcióidő minimuma 16 perc (jelterjedési idő) Az űrkutatás történetében először történt valósidejű képfeldolgozás alapján vezérlés 76 év a megismételhetőség ideje, kettős tartalékolás eltérő technológia alapon Üstökös magról a VEGA kamerája küldött először képet 2010.12.13. szalai@sgf.hu 34
Nagylátószögû optikák VEGA Fényérzékeny diódák Analóg követõrendszer1 Analóg electronika Tartalék1 Fõ CCD vezérlõ CCD vezérlõ Kislátószögû optika CCD vezérlõ CCD vezérlõ Digitális feldolgozó egység 2xNSC800 Videójel feldolgozó Tartalék2 Digitális követõrendszer Radió Elforduló platform Közös elektronikai doboz Analóg követõrendszer2 2010.12.13. szalai@sgf.hu 35
Cassini 1997 októberében indult a Szaturnuszhoz (NASA & ESA közös misszió) KFKI RMKI a töltött részecske analizátor és a magnetométer fejlesztésében vett részt Földi ellenőrző berendezés fejlesztés volt a KFKI RMKI feladata 2010.12.13. szalai@sgf.hu 36
Cassini Mil1553Std a Cassini vezérlő és adatgyűjtő busz rendszere Földi ellenőrző berendezés fejlesztése, PC buszra illesztőkártya (controller, remote terminal, monitor) 2010.12.13. szalai@sgf.hu 37
Philae Lander Földi ellenőrző berendezés két egységből: jelszintű szimulátor és kereskedelmi PC Transputer alapú beágyazott rendszer, RS232 soros porton át a kapcsolat a PC-vel A PC-én Windows alatt GUI, a TC-k generálására és a TM csomagok megjelenítésére 2010.12.13. szalai@sgf.hu 38
Philae Lander Simulator Tudás megőrzésre, új munkaerő betanulására, hibás állapotok vizsgálatára parancsok tesztelésére készült két szoftveres leszállóegység szimulátor Nyolc beágyazott processzor és öt számítógépből álló rendszer 2010.12.13. szalai@sgf.hu 39
Philae Software Simulator Real-Time CDMS Message Handlers RxTx Dedicated HW signals PSS TCU ADS & LG Anchor & SD2 Sc. Exps. Sc. Exps. Umbil. CDMS SSIF Main/Rdnt RS 232 RS 232 RS 232 RS 232 RS 232 RS 232 AC/DC for Quiet mode Simulation Debugger HW Local Network PSS&TCU Simulator PC ClientA1,2 ADS, LG & Anchor Simulator PC ClientB1,2 Scientific Experiment Simulator PC ClientC1,2 Archiving & Control of Simulators Hub Uninterrupted AC/AC LanderUnits' Simulators APX, CIVA/ROLIS, CONSERT, COSAC, MUPUS, PTOLEMY, ROMAP, SESAME 2010.12.13. szalai@sgf.hu 40
MarsExpress 2003 júniusában indítva, ESA EGSE fejlesztése több műszerhez Intel 8086 beágyazott processzor a jelszintű szimulátor alapja, RS232 soros kapcsolat A PC-n Windows alatt fut a GUI 2010.12.13. szalai@sgf.hu 41
2005 novemberében indult, ESA Az ARES részecske analizátor részére a kalibráló rendszer automatizálása Három beágyazott processzor (PC-104, Realtime Linux) és egy notebook (Windows), amely vezérel, monitoroz és adatmegjelenítést végez VenusExpress 2010.12.13. szalai@sgf.hu 42
User Interface 2010.12.13. szalai@sgf.hu 43
ISS Plasma Wave Complex Tervezett üzembe helyezés 2011, az orosz szegmensen KFKI RMKI, ELTE, SGF kft. és BL kft. részvételével készül egy Plasma Wave Complex (PWC) műszer együttes az ISS környezetében a töltött részecskék és az elektromos tér mérésére KFKI RMKI és SGF kft. fejlesztette a három számítógépből álló adatgyűjtő és vezérlő rendszert ELTE és BL kft. SAS3 nevű műszert fejlesztette 2010.12.13. szalai@sgf.hu 44
ISS Plasma Wave Complex 5+6 szenzor az ISS két oldalán egy-egy számítógéppel Az adatgyűjtő és vezérlő számítógép rendszer ipari minősítésű alkatrészekből (PC-104) RT Linux operációs rendszer A külső falon, az űrben (vákuumban) lévő egységekben hőelvezetési problémák 2010.12.13. szalai@sgf.hu 45
ISS Plasma Wave Complex 5+6 szenzor az ISS két oldalán egy-egy számítógéppel Az adatgyűjtő és vezérlő számítógép rendszer ipari minősítésű alkatrészekből (PC-104) RT Linux operációs rendszer A külső falon, az űrben (vákuumban) lévő egységekben hőelvezetési problémák 2010.12.13. szalai@sgf.hu 46
ISS Plasma Wave Complex 5+6 szenzor az ISS két oldalán egy-egy számítógéppel Az adatgyűjtő és vezérlő számítógép rendszer ipari minősítésű alkatrészekből (PC-104) RT Linux operációs rendszer A külső falon, az űrben (vákuumban) lévő egységekben hőelvezetési problémák 2010.12.13. szalai@sgf.hu 47
ISS Plasma Wave Complex 5+6 szenzor az ISS két oldalán egy-egy számítógéppel Az adatgyűjtő és vezérlő számítógép rendszer ipari minősítésű alkatrészekből (PC-104) RT Linux operációs rendszer A külső falon, az űrben (vákuumban) lévő egységekben hőelvezetési problémák 2010.12.13. szalai@sgf.hu 48
ISS Plasma Wave Complex A földi ellenőrzőberendezés két egységből áll Kereskedelmi PC (Windows) és jelszintű szimulátor Beágyazott processzor (PC-104, RT Linux) alapú saját fejlesztésű jelszintű szimulátorok (szenzorok adatfolyama, ISS illesztések) TM adatszétosztás a szenzorok kiértékelő gépeinek 2010.12.13. szalai@sgf.hu 49
ISS Plasma Wave Complex Inside Outside Sc. STM An. STM BSTM 2x100Gb Power Ethernet DACU2 CWD2 Am. Radio Ethernet HUB CORES LP DP RFA DFM2 CWZ-VP Power Ethernet DACU1 CWD1 Ethernet SAS3 LP DP DFM1 CWZ-VP CWD1 CWD2 BSTM DACU1 DACU2 Outside 28 V Power Supply Unit EGSE OMTC Simulator Ethernet 2010.12.13. szalai@sgf.hu 50
ISS Plasma Wave Complex Ethernet PWC BSTM Power 2x100GB Ethernet HUB DACU1 DACU2 Power ISS Signals Sc. STM An. STM ISS Eth. Am. RF SAS3 Sim. Embedded Processor & HW Sim. of Exp. Signals Ethernet Ethernet LP DP DFM1 CWD CORES LP DP RFA DFM2 CWD Sc.Instr. signals Power User IF & Cntrl PC EGSE of BSTM&DACUs 2010.12.13. szalai@sgf.hu 51
Hasznosítási lehetőségek Atomerőmű Nagy megbízhatóságú, hiba toleráns mérő és adatgyűjtő rendszerek; minőség biztosítási tanúsítványok; korlátozott beszállítói kör ESA projektek Magyarország még nem ESA tagország Tenderek az EMITS rendszeren (csak regisztráció után) http://emits.esa.int/emits/owa/emits.main EUMETSAT 2008. október 14 óta Magyarország is tag (regisztráció!) https://eumits.eumetsat.int/eumits/index.jsf Jelenleg nincs új műhold fejlesztés, többnyire üzemeltetési feladatok Repülőipar Viszonylag kis példányszám 2010.12.13. szalai@sgf.hu 52
Aircraft Health Monitoring System Data Archiving Box and Acquisition System (DABAS) méri és tárolja a terhelési viszonyokat Mért paraméterek: Szárny főtartó deformációja (távolság mérés) Szerkezeti elemek deformációja (nyúlásmérő bélyegek) Kerekek terhelése (erő mérő alátét) Túlterhelés esetén a műszerfal és a pilóta tevékenységének rövid idejű rögzítése Három irányú gyorsulásmérő Időalap és pozíció mérés (GPS) Mintavételezés 10 100 Hz Képkészítés frekvenciája 10-25 frame/sec (~movie) Adat kiolvasás Etherneten TCP/IP protokollon Adat feldolgozás és megjelenítés web szerveren Opcionálisan motor és műszerfal adatainak tárolása 2010.12.13. szalai@sgf.hu 53
DABAS Sensors Force measuring sensors Distance sensor SHARP GP2D120 analog output Digital Camera UC5181 - USB SVGA GPS module GlobalSat EB-3531 Accelerometer Freescale MMA7241LR Indicators Embedded 2 Processors Microchip PIC32MX460F, 80 MHz Cavium ARM9, 250 MHz Overload Error On/Off Mass Storage 1 Corsair Flash Voyager 16/32 GB USB drive or SanDisk 16 GB SD/MicroSD card Mass Storage 2 Corsair Flash Voyager 16/32 GB USB drive or SanDisk 16 GB SD/MicroSD card Ethernet IF Microchip ENC28J60 or Wireless IF Acvisition & Archiving Readout & Data analyzer 2010.12.13. szalai@sgf.hu 54
DABAS for Corvus Racer 540 2010.12.13. szalai@sgf.hu 55
DABAS for Corvus Racer 540 2010.12.13. szalai@sgf.hu 56
DABAS for Corvus Racer 540 2010.12.13. szalai@sgf.hu 57
Köszönöm a figyelmet! 2010.12.13. szalai@sgf.hu 58
Philae payload APXS alpha, proton, and X- ray spectrometer CONSERT nucleus tomography by radiowave sounding COSAC composition experiment, gas chromatograph. and mass spectrometer, mainly for complex organic molecules PTOLEMY evolved gas analyser, abundance and isotopic comp. such as H2O, CO, CO2 CIVA imaging system, panoramic camera, microscope (texture), IR spectrometer; landing site images ROMAP magnetometer and simple plasma monitor SESAME Surface properties: acoustic surface sounding,dust impact monitor, and permittivity probe MUPUS Surface and subsurface science: penetrator and IR sensors; anchor sensors 2010.12.13. szalai@sgf.hu 60
ISS EGSE Sc. STM: űrállomás lassú digitális adatgyűjtő rendszere An. STM: űrállomás analóg adatgyűjtő rendszere ISS Eth.: űrállomás orosz szegmensének ethernet hálózata Am. RF: amatőr rádiórendszer SAS3, LP1, DP1, DFM1, CWD1, CORES, LP2, DP2, RFA, DFM2, CWD2: a különböző típusú plazmahullám-érzékelő műszerek rövidített nevei DACU1: LP1 RS 422, 38 400 baud, DP1 RS 422, 38 400 baud, DFM1 11 analóg, 0,8 4 khz, 12 bit, CWD1 4 analóg, 0,8 4 khz, 12 bit DACU2: CORES RS 422, 115 200 baud, LP2 RS 422, 38 400 baud, DP2 RS 422, 32 400 baud, RFA RS 422, 19 200 baud, DFM2 RS 422, 32 400 baud, CWD2 4 analóg, 0,8 4 khz, 12 bit, SAS3 Ethernet 10 Mibit/s, 300 MiB/nap 2010.12.13. szalai@sgf.hu 61