DEVELOPMENT OF THE INFORMATION EXCHANGE SYSTEM EQUIPMENT FOR THE SMALL SPACECRAFT ONBOARD CONTROL UNIT

全文:

Создание малых космических аппаратов в последнее время приобрело характер массового явления. За последние пять лет в мире запущено более 100 микро и нано-спутников и в ближайшие годы прирост малых космических аппаратов (МКА) будет только увеличиваться. В нашей стране также развивается спутнико-строение МКА, примером которого являются микроспутники «Юбилейный», «Чибис-М», «МиР», «Аист». Среди многих достоинств микроспутников, обеспечивающих их популярность, можно выделить возможность в условиях низкого финансового риска выполнить летную отработку новых перспективных техни ческих решений, которые впоследствии можно будет использовать на космических аппаратах (КА) больших и средних классов. Малый финансовый риск определяется невысокой стоимостью разработки, создания, испытаний, запуска и эксплуатации МКА. Одним из таких перспективных технических решений является сетевая технология SpaceWire [1]. Данная технология разработана по инициативе Европейского космического агентства для замены низкоскоростных интерфейсов передачи данных на борту КА и организации полноценной сети передачи данных. В мире насчитывается более 20 успешных проектов применения технологии SpaceWire, в России примеров применения данной технологии в летной практике пока нет. В СибГАУ накоплен значительный опыт наземноэкспериментальной отработки технологии SpaceWire [2; 3], разработаны и изготовлены отработочные образцы каналообразующей аппаратуры SpaceWire. В 2012 г. к СибГАУ обратилась компания «Спутникс» для разработки аппаратуры системы информационного обмена бортового комплекса управления (БКУ) на базе технологии SpaceWire. Компания «Спутникс» ведет разработку микро-спутниковой платформы ТаблетСат массой до 50 кг с использованием, так называемого модульного принципа и архитектуры Plug-and-Play. Это принцип позволяет из типовых служебных систем собственной разработки и полезной нагрузки заказчика собирать спутники по принципу LEGO-конструктора. Подход основан на использовании открытых SxPA-спецификаций (SPUTNIX Plug-and-Play Architecture), описывающих механические, электрические, и информационные интерфейсы между служебными системами и полезной нагрузкой. Данные спецификации доступны для всех желающих на сайте компании [4]. Базовой единицей конструкции платформы ТаблетСат является модуль массой около 10 кг, получивший название 1U (U-от английского слова UNIT, т. е. модуль). Другие типовые размеры (2U, 3U, 4U) с большим резервом по массе и электрической мощности под полезную нагрузку могут выполняться посредством увеличения количества однотипных модулей формата 1U. Отметим, что SxPA-спецификации имеют открытый, а, следовательно, развивающийся характер. К моменту обращения в СибГАУв SxPA-спецификациях была проработана лишь общая концепция, реального воплощения, как в аппаратной, так и в программной части на тот момент еще не имеющей. Таким образом, перед СибГАУ стояла задача воплотить и верифицировать идеи компании «Спутникс», создав аппаратуру информационного обмена (АИО) бортового комплекса управления МКА. Анализ предъявленных в техническом задании требований к АИО микроспутника «ТаблетСат» позволил сформулировать и уточнить основные технические решения. Следуя общей концепции платформы ТаблетСат, как открытой системы, принято решение применять только открытые технологии и продукты. К числу основных открытых технологий используемых в проекте следует отнести: - использование только стандартизированных интерфейсов и сетей: межблочная аппаратурная сеть SpaceWire, внутриблочный интерфейс AMBA; - использование только открытых сложно-функциональных блоков (IP-блоков): софт-процессор Leon 3, кодеки интерфейсов SpaceWireLight и CAN; - использование только открытых операционных систем: операционной системы реального времени RTEMS. Платформа ТаблетСат откосится к классу микро-КА. Это обстоятельство определяет крайне жесткие требования к энергопотреблению и массогабаритным показателям. Для удовлетворения этим требованиям использована мезонинная конструкция устройств АОИ, основная элементная база имеет BGA-исполнение корпусов и исполнение (модификацию) с минимальным потреблением. Кроме того, учитывая реальный дефицит электрической энергии на борту микроспутника, реализована коммутация электропитания устройств, подключаемых к АОИ. В качестве основной элементной базы реализации устройств проекта были определены программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Данное решение приводит не только к снижению габаритов, массы и энергопотребления устройств, но и позволяет многократно модифицировать функционал аппаратуры без изменения ее конструкции. Для того, чтобы приблизить отработочный комплект к летному, применены многократно программируемые ПЛИС Actel семейства A3PE. Данные ПЛИС имеют радиационностойкие аналогии с гарантированной работоспособностью до 30 кРад, что более чем достаточно для микро-КА. Остальная элементная база не имеет радиационно-стойких аналогов, что вполне допустимо для низкоорбитальных КА с маленьким сроком активного существования (к каким относятся микроспутники), и позволяет снизить стоимость аппаратуры. Основополагающим проектным решением стало применение сетевой технологии SpaceWire. Применение SpaceWire обосновывается двумя ключевыми требованиям к АИО: - модульность и масштабируемость информационной инфраструктуры при наращивании U-блоков ТаблетСат; - поддержка SxPA-спецификаций для подключения внешних устройств к АИО. SpW, к предыдущему I.J-блоку SpW, к следующему U-блоку Рис. 1. Типовая структура аппаратуры информационного обмена SpaceWire как и любая сетевая технология полностью удовлетворяет требованию масштабируемости. Модульность реализуется минимальной типовой структурой АИО для любого U-блока, представленной на рис. 1. Типовая структура АОИ U-блока, состоит из маршрутизирующего коммутатора, процессорного модуля и модуля расширения интерфейсов. Обяза 150 Авиационная и ракетно-космическая техника тельным модулем для каждого U-блока является маршрутизирующий коммутатор, который определяет обязательную инфраструктуру сети SpaceWire (SpW). Остальные модули являются не обязательными и включаются в инфраструктуру сети при необходимости. Процессорный модуль подключается к сети, если в U-блоке необходим вычислитель для служебных систем или аппаратуры пользователя. Модуль расширения интерфейсов необходим в случае преобразования интерфейсов SpW<>CAN, SpW<>SPI, SpW<>I2C. Очевидно, что полная конфигурация, представленная на рис. 1 всегда присутствует в системообразующем блоке платформы Ш-блока, состав остальных блоков может быть разным. Подобная реализация модульности и масштабирования позволяет говорить, что в каждом U-блоке создается собственная подсеть SpW с переменным составом аппаратуры, а в целом сеть платформы ТаблетСат имеет вид структурированной сетевой архитектуры. Спецификация SxPA - это Plug-and-Play архитектура, основным назначением которой является быстрое агрегирование и конфигурирование подсистем микроспутников с использованием принципа Plug-and-Play. Данный принцип обеспечивает возможность подключать устройство к системе без его предварительной подготовки и подготовки самого БКУ, т. е., обеспечивается автоматизированный процесс распознавания устройств и обмена данными между ними [4]. С целью упрощения реализации SxPA в созданном отработочном комплекте АИО функции Plug-and-Play переложены на программный уровень. Аппаратный уровень в соответствии со спецификацией SxPA предоставляет соединительные компоненты, вычислительные и другие аппаратные средства, посредством которых программное обеспечение SxPA реализует свои функции. Для этого каждое устройство, реализующее SxPA, имеет собственный процессор и память. Например, модуль расширения интерфейсов имеет усеченный вариант процессора Leon 3. Как уже выше отмечалось, сетевая инфраструктура платформы ТаблетСат состоит из всего трех типов устройств: - маршрутизирующий коммутатор SpW на 4 внешних порта с функцией коммутации питания подключаемых к маршрутизатору устройств - однокристалльного процессорного модуля (бортового компьютера), состоящего из процессора Leon 3, встроенного маршрутизатора SpW c 4-мя внешними портами, интерфейсами CAN и Ethernet в одной ПЛИС; - модуля расширения интерфейсов (многофункционального моста), SpW<>CAN, SpW<>SPI, SpW<>I2C. Внешний вид разработанных устройств показан на рис. 2. Остановимся более подробно на каждом устройстве отдельно. Основные характеристики маршрутизирующего коммутатора представлены в табл. 1. Устройство состоит из 2-х плат: одна является собственно маршрутизирующим коммутатором, другая плата выполняет функции коммутации электропитания внешних для коммутатора устройств. Команды для выполнения подключения или отключения внешних устройств передаются от модуля процессора. Для этого может быть использован протокол RMAP, аппаратно реализованный (RMAP-target) в каждом узле SpW. Плата коммутации питания, кроме своей основной функции, осуществляет контроль тока, напряжения на коммутируемой линии и температуры коммутирующего ключа. Мезонинная конструкция устройства позволила снизить габариты маршрутизируемого коммутатора. Самым сложным устройством АИО является процессорный модуль, характеристики которого представлены в табл. 2. В нем в одной ПЛИС ActelA3PE 3000 размещены, как собственно, сам процессор, так и маршрутизирующий коммутатор на 4 внешних порта. Характеристики встроенного маршрутизатора совпадают с маршрутизируемым коммутатором, изготовленным в виде отдельного устройства. В качестве процессора использован открытый реконфигурируемый софт-процессор Leon 3, рекомендованный ЕКА для новых космических проектов. Системное программное обеспечение, а также тесты и примеры применения процессорного модуля разработаны под операционную систему реального времени RTEMS. а б в Рис. 2. Внешний вид аппаратуры информационного обмена без корпусов: а - процессорный модуль; б - маршрутизирующий коммутатор; в - модуль расширения интерфейсов 151 Вестник СибГАУ. № 3(49). 2013 Таблица 1 Параметр Единица измерения Значение параметра Количество внешних портов SpW шт. 4 Скорость SpW Мбит/с от 10 до 100 Коммутируемые напряжения В 5, 12 Напряжение питания В 5 Потребление с 4-мя активными SpW А 0,14 Габариты печатной платы мм 55х55 Таблица 2 Параметр Единица измерения Значение параметра Тип процессора Leon 3, без FPU Тактовая частота МГц 25 Емкость ОЗУ Мбайт 16 Емкость ПЗУ (flash) Мбайт 8 Количество внешних портов маршрутизир. коммутатора шт. 4 Скорость SpW Мбит/с от 10 до 100 Скорость CAN 2.0 Мбит/с до 1 Скорость Ethernet Мбит/с 10/100 Напряжение питания В 5 Потребление: А без подключения Ethernet 0,2 с активным Ethernet 0,3 Габариты печатной платы мм 115x109 Таблица 3 Параметр Единица измерения Значение параметра Количество узлов SpW шт. 2 Количество выходов CAN 2.0 шт. 1 Количество выходов SPI шт. 1 Тип процессора Leon 3 с тактовой частотой 25 МГц, ОЗУ 2048 Кбайт, ПЗУ 256 Кбайт Скорость SpW Мбит/с от 10 до 100 Скорость CAN 2.0 Мбит/с до 1 Напряжение питания В 5 Потребление: А без активного CAN 0,14 с активным CAN 0,2 Габариты печатной платы мм 70x65 Процессорный модуль имеет дополнительные внешние интерфейсы: CAN и Ethernet. Ethernet является отладочным интерфейсом и не будет использоваться во время космической миссии. Интерфейс CAN имеет большую популярность среди разработчиков микроспутников, поэтому он был включен в процессорный модуль для возможного подключения аппаратуры внешних разработчиков. Применение BGA-корпусов позволило снизить габариты печатной платы процессорного модуля. Модуль расширения интерфейсов служит для сопряжения системного интерфейса SpW к интерфейсам внешних устройств подключаемым к АИО. В настоящее время реализованы преобразования SpW<>CAN, SpW<>SPI,SpW<>I2C. В дальнейшем возможно расширение подключаемых внешних интерфейсов. Это му способствует концепция модуля, состоящего из двух плат: вычислительной платы и платы внешних соединителей. Вычислительная плата посредством программного обеспечения производит преобразование данных принятому по одному интерфейсу в другой. Плата внешних соединителей предоставляет физические соединители для подключения внешних устройств по необходимым интерфейсам. Таким образом, заменяя плату внешних соединителей одну на другую с другим количеством и типами интерфейсов, не изменяя при этом конструкцию платы вычислителя, можно расширить номенклатуру подключаемых к АИО внешних устройств. Основные характеристики модуля расширения интерфейсов представлены в табл. 3. В качестве вычислителя использована усеченная версия софт-процессора Leon 3. Таким обра 152 Авиационная и ракетно-космическая техника зом, вся аппаратура АОИ использует один и тот же процессор, что создает дополнительные удобства в работе. Отработочный комплект АИО прошел этап приемо-сдаточных испытаний, подтвердив при этом соответствие предъявленным в техническом задании требованиям, и передан заказчику. В настоящее время «Сканекс» проводит разработку бортового программного обеспечения, а СибГАУ, как разработчик аппаратуры, оказывает техническую поддержку. Таким образом, в результате проведенных работ определены основные технические решения, разработана, изготовлена, испытана и передана заказчику аппаратура системы информационного обмена бортового комплекса управления малого космического аппарата ТаблетСат. Запуск первого микроспутника-демонстратора серии ТаблетСат запланирован на конец 2014 г.

作者简介

V. Khanov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

Email: hanov@sibsau.ru
31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

A. Shahmatov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

S. Chekmaryov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

M. Vergazov

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

F. Lukin

Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev

31 “Krasnoyarskiy Rabochiy” prosp., Krasnoyarsk, 660014, Russia

参考

补充文件