CC BY
42УДК 629.78
БОРТОВОЕ КИБЕРНЕТИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО «ГИДРА» МНОГОЦЕЛЕВОЙ ПЛАТФОРМЫ
«СИНЕРГИЯ» БЛОЧНО-МОДУЛЬНОГО ТИПА
Д. В. Малыгин
Лаборатория проектирования сверхмалых космических аппаратов «Астрономикон» Российская Федерация, 194021, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29 E-mail: [email protected]
Рассматривается технология построения и архитектура бортового вычислительного комплекса «Гидра» многоцелевой платформы «Синергия» блочно-модульного типа.
Ключевые слова: малый космический аппарат, наноспутник, пикоспутник, платформа, cubesat, бортовой комплекс управления.
THE ONBOARD COMPUTER "HYDRA" OF BLOCK-MODULAR MULTIPURPOSE
PLATFORM "SYNERGY"
D. V. Malygin
Nanosatellite Design Laboratory "Astronomikon" 29, Politekhnicheskaya Str., Saint-Petersburg, 194021, Russian Federation E-mail: [email protected]
The paper considers a technology of design and architecture of the onboard computer "Hydra " of multi-purpose block-modular platform "Synergy" for assembling nanosatellites.
Keywords: small spacecraft, nanosatellite, pikosatellite, platform, cubesat, onboard computer.
К наноспутникам (свехмалым космическим аппаратам - СМКА) будем относить такие массы, которые не превышают 10 кг, а объем базовой единицы не более 1 дм куб [1]. Актуальность создания СМКА стала очевидной в начале ХХ1 века с появлением элементной базы, при помощи которой возможно создавать КА указанных массы и объема [2]. На протяжении последних 15 лет лётные испытания прошли несколько сотен аппаратов данного класса. Многие из них успешно эксплуатируются. Основная проблема их проектирования в достижении оптимального (или рационального) соотношения показателей качества, стоимости и эффективности. Эти характеристики отрабатываются в условиях обязательного учёта основных факторов среды функционирования КА: физические и технические. Цели проектирования наноспут-ников состоят в решении возникающих проблем с конкретизацией их содержания. Изготовление таких изделий ведут небольшие группы исследователей, а также коммерческие фирмы. В Российской Федерации стоит отметить несколько подобных проектов: ООО «Даурия Аэроспейс» - платформа «Персеус», ООО «Спутникс» - платформа «ТаблетСат», ООО «Лаборатория «Астрономикон» - платформа «Синергия» [1], СГАУ - платформа
Развитие микроэлектроники косвенно способствовало бурному прогрессу тематики СМКА. Так называемые наноспутники постоянно эволюционируют, становясь гибким инструментом для проведения научных, технологических и образовательных экспериментов в космическом пространстве. Таким образом,
образовалась и сформировалась ниша нано- и пикос-путников. С другой стороны, от студенческих проектов до полноценного игрока на рынке такие КА ещё не прошли свой путь: до сих пор бытует мнение, что данное направление носит чисто развлекательный характер (пиар космических технологий), либо данные изделия представляют собой стенды для отработки и/или демонстрации различных технологических решений (идей, концепция и т. п.). Это обусловлено несколькими причинами: во-первых, концепцией СМКА (малый цикл производства, отсутствие опоры на классические стандарты для аэрокосмической индустрии, неопытность коллективов, скромное финансирование). Во-вторых, низкими показателями надёжности элементной базы по причине того, что изначально применяется неспециализированная элементная база (РЭК) класса «industrial», так называемая COTS - решения «с полки». В-третьих, сильной консервативностью отрасли.
Для того чтобы преодолеть этот барьер целесообразно разработать и внедрить комплектующие нового поколения с повышенными характеристиками надёжности, увеличенным функционалом и расширенной областью применения (обильным наличием различных интерфейсов, высоким ресурсом работоспособности, вычислительной мощностью и т. д.). Следовательно, в данной работе подробно опишем архитектуру и функционал предлагаемого устройства: бортовой комплекс управления/бортовое кибернетическое устройство (БКУ), так называемый бортовой одноплатный компьютер «Гидра», как один из важнейшей под-
Малые космические аппараты: производство, эксплуатация и управление
системы СМКА, построенного на базе платформы «Синергия».
В БКУ «Гидра» платформы «Синергия» особое место отводится спецификации PnP, следовательно, представим реализуемую архитектуру, поострённую на открытой спецификации SpaceWire, но адаптированную для наноспутников. Для этого опишем особенности и принцип построения телекоммуникационных сетей для КА и систем на их основе типа SpaceWire (SPA). SPA - телекоммуникационная сеть для космического приборстроения с пропускной способностью до 800 МБит/сек, узлы которой соединяются при помощи последовательных соединений типа точка-точка, работающая в полнодуплексном режиме (рис. 1).
Отметим, что при помощи SPA внедряются принципы стандартизации/унификации в индустрию изготовления, сборки, испытаний КА на основе открытых архитектур и спецификаций; тем более такой подход позволяет:
- снизить стоимость разработки, испытаний, запуска, эксплуатации;
- сократить сроки проектирования, интеграции служебных подсистем и ПН;
- облегчает интеграцию КА с РН за счёт применения унифицированного интерфейса взаимодействия;
- обеспечивает масштабируемость спутниковых систем/группировок, созданных на их основе.
Таким образом, для платформы «Синергия» разработан и внедрён комплект спецификаций, в основу которых положены технологии SPA и PnP (рис. 2).
БКУ «Гидра» сочетает оригинальные разработки в области SpaceWire-электроники: интерфейсы обеспечивают подключение различных устройств к шине SPA; содержатся следующие двунаправленные переходники (так называемые интеллектуальные мосты):
USB-SPA, Ethernet-SPA, CAN-SPA, UART-SPA, I2C-SPA, SPI-SPA, MFBSP-SPA, CCSI/DSI-SPA, non SPA-PnP-SPA.
По умолчанию в состав БКУ входит бортовое и сервисное ПО для проведения тестов типа hardware-in-the-loop и проведения полунатурных испытаний; а также элементы супервизорной логики и распределённых вычислительных систем. Для реализации представленной архитектуры применяется отечественный многоядерный сигнальный микропроцессор на базе Dual Cortex-A9 [NEON SIMD-ARM] / Mali 400 [ASIC], поддерживаемая ОС и средствами разработки распространяемых по GNU GPL; что позволяет применить ОС как реального времени: RTEMS, eCos, FreeRTOS, uos-embedded, ROS, Zephyr, Minoca так и ОС общего назначения: Arch Linux. Для разработки ПО применяются рабочие станции под управлением ОС GNU / Linux, MS Windows, Mac OS Х. БКУ обеспечивает поддержку бортовой сети обмена данными между модулями служебных систем и ПН; а также осуществляет маршрутизацию пакетов телеметрической и целевой информации.
Архитектура PnP обеспечивает возможность подключать устройство (служебная система, ПН) к сети КА без предварительной подготовки, и автоматизировать процесс распознавания устройств и обмена данными между ними. Для реализации выше описанной конфигурации спроектировано ПО, которое внедрено в БКУ, т. е. в его основе положена магистральная шина обмена данными, которая является SPA-сетью стандарта ECSS-E-ST-50-12C.
Протоколом верхнего уровня в сети является реализованная спецификация стандарта Space Plug-and-Play Architecture Standard (SPA-S), адаптированного для применения на КА в виде спецификации PnP-БКС-PA (рис. 2).
Рис. 1. Пример построения сети SpaceWire
Рис. 2. Структурная схема SpaceWire PnP архитектуры платформы «Синергия»
Рис. 3. Модель БКУ «Гидра» платформы «Синергия»
Пропускная способность шины в составе БКУ КА -от 2 Мбит/сек с программной возможностью увеличения до 800 Мбит/сек. Кроме шины SPA, для подключения к PnP^KC-PA критически важных служебных систем используются шины UART/I2C/Ethernet (пропускная способность шины от 1 до 100 Мбит/с).
Используемый протокол обмена данными обеспечивает совместимость служебных систем КА со сторонними разработками. Следует отметить, что интеграция ПН по информационному протоколу осуществляется в составе БКУ в соответствии с разработанной спецификацией PnP^KC-SPA, состоящей из матрицы процессорного модуля и набора маршрутизаторов; при этом процессорный модуль выполняет роль менеджера устройств, т. е.:
- управление подключением и энумерацией новых PnP-устройств к БКС;
- идентификация факта подключения новых устройств;
- отключение вышедших из строя уже подключённых.
В сети может быть несколько таких матриц и при этом назначение роутеров: маршрутизация трафика между устройствами, а также управление питанием устройств. Число подключаемых к общей сети устройств ограничено количеством портов маршрутизатора. В случае нехватки имеющегося числа маршрутизаторов к сети могут подключаться новые. Такая идеология позволяет подключать к сети неограниченное число устройств. Обмен трафиком между устройствами ведётся напрямую по кратчайшему пути, ми-
нуя матрицу. В случае если подключаемое устройство не совместимо со стандартом PnP^KC-SPA, есть возможность доукомплектовать переходником с его внутренней шиной данных на шину SPA; такой переходник при необходимости обеспечивает устройству PnP^KC-SPA совместимость. Описанная выше спецификация предопределяет, в том числе и электрические интерфейсы, т. е. энергетику (как минимум две стабилизированных линии питания: 3,3 В ± 0,05 и 5 ± 0,1 В) и тип обмена с учётом резервирования: UART; SPI; I2C; Ethernet; USB; MFBSP; SpaceWire.
Библиографические ссылки
1. Малыгин Д. В. Универсальная платформа «Синергия» блочно-модульного исполнения // Решетнев-ские чтения : XV Междунар. науч. конф. С. 377-378.
2. Малыгин Д. В. Универсальная платформа сверхмалого космического аппарата // Материалы V Все-рос. форума студентов, аспирантов и молодых ученых. С. 38-40.
References
1. Maligin D. V. Universal block-modular platform "Synergy" // XV International Scientific Conference "Reshetnevskie chteniya". C. 377-378.
2. Maligin D. V. Universal platform for nanosatellite // Proceedings of the V All-Russian forum of students and young scientists. C. 38-40.
© Малыгин Д. В., 2017
