Fastwel.ru - Российская электроника для ответственных применений

COTS-ТЕХНОЛОГИ В КОСМИЧЕСКОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ

Применение COTS-технологий в разработках специального назначения является испытанным средством снижения временных и финансовых затрат. В статье рассматривается об опыте использования COTS для создания вычислителей эксплуатирующихся на борту космических аппаратов.

COTS (Commercial Off-The-Shelf - «готовые к использованию») – технология означает, что для построения систем специального назначения применяется специальный подход, согласно которому применяются промышленные вычислительные модули, а крейты, стойки, блоки коммутации и кабели выполняются в специальном исполнении и обеспечивают требуемые условия эксплуатации (например, устойчивость к климатическим, вибрационным, акустическим и др. воздействиям). В COTS-технологии применяются готовые аппаратные и программные технологии открытого типа, ранее широко апробированные и/или стандартизованные на рынке общепромышленных гражданских приложений.

Исторически концепция COTS возникла как инициатива министерства обороны США и оборонных ведомств ряда других западных стран, желающих сократить свои расходы за счет уменьшения доли дорогостоящих уникальных решений и технологий. Для российских разработчиков в настоящее время, в условиях усложнения экономической ситуации и введения санкций, перекрывающих доступ к элементной базе оборонного и двойного назначения, такой способ экономии средств на создание аппаратуры с высокими техническими характеристиками особенно актуален.

Общий тренд построения систем на базе стандартизованных COTS - компонентов проник и в космическую отрасль. Тому способствовали чрезвычайно бурный темп освоения космического пространства, усложнение решаемых задач, требования сокращения сроков разработки и модернизации систем, повышение их быстродействия и надёжности. В настоящий момент в космосе постоянно присутствует большое количество обитаемых и необитаемых летательных аппаратов различных стран. Эта отрасль превратилась в мощную индустрию, связанную с исследованиями, производством новых материалов, обороной и другими актуальными задачами [1].

Примеры использования COTS-технологий в космосе

Подтверждением использования в космосе COTS-технологий и промышленной ЭКБ является растущая популярность спутников выполненных по стандарту CubeSat.

Кубсат, CubeSat — формат малых (сверхмалых) искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих объем 1 литр и массу не более 1.33 кг или несколько (кратно) более (рис1).

Рис 1. спутник стандарта CubeSat компании «Даурия Аэроспейс»
http://www.rusnano.com/projects/portfolio/news/20160121-tj-dauria-kak-sobirayut-mikrosputniki

Кубсаты обычно используют шасси-каркас спецификации CubeSat и покупные стандартные комплектующие — COTS-электронику и прочие узлы. Спецификации CubeSat были разработаны в 1999 году Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами, чтобы упростить создание сверхмалых спутников.

Спецификация CubeSat включает в себя стандартизированные габариты и архитектуру. Все CubeSat подразделяются на размерности 1 unit (10×10×10 см), 2U (10×10×20 см), 3U (10×10×30 см) и так далее.

Стандарт CubeSat не ограничивает фантазию разработчиков и инженерные подходы для построения космических аппаратов. Внутри кубсата не существует общепринятых инструкций по сборке, то есть - универсальных стандартов, описывающих информационные, механические или электрические интерфейсы. Есть рекомендации типа соответствия габаритов электронных плат форм-фактору  PC/104, некоторые подходы к распайке контактов, информационным шинам и шинам питания, но конкретная реализация у каждого разработчика может быть индивидуальной [3].

Создаются спутники CubeSat из электроники индустриального класса, т.е. той, которая предназначена для эксплуатации на Земле, и не готовилась к космосу. Несмотря на это, возможности современных чипов позволяют им работать в, казалось бы, непригодных условиях. Они могут быть недолговечны, но обеспечивают работоспособность аппаратов до года, а то и больше в несколько раз [4].

Другие COTS-стандарты

CompactPCI

Системы на базе стандарта CompactPCI имеют в своём составе механический конструктив, позволяющий устанавливать процессорные и периферийные модули в пассивную кросс-плату с определёнными стандартом интерконнектами обмена данными между модулями системы. Характеристики конструктивов, типы и топологии, используемых интерконнектов хорошо документированы в соответствующем стандарте, разработанном консорциумом международных компаний под эгидой PICMG (www.picmg.org) (рис2).

Рис 2. Система стандарта CompactPCI

Системы стороятся в конструктиве Евромеханика 3U,6U

Основные преимущества стандарта CompactPCI:

  • возможность построения многопроцессорных, гетерогенных вычислительных систем;

  • высокая устойчивость к ударам и вибрациям;

  • эффективное охлаждение;

  • поддержка режима горячей замены;

  • поддержка резервирования;

  • применение стандартных шасси от разных производителей.

Показательный пример надежности систем, выполнен­ных по стандарту CompactPCI, – система управления мар­сохода Opportunity, который управляется двумя компьютерами на базе стандарта CompactPCI [5].

На красную планету марсоход Opportunity был выса­жен 24 января 2004 года и до сих пор продолжает функ­ционировать.

Ядро системы управления – одноплатный компьютер RAD6000 (производитель BAE Systems), выполненный в формате СompactPCI 6U версии 2.0.

RAD6000 — радиационно-стойкий одноплатный компьютер, основанный на базе RISC-процессора, выпущенный подразделением IBM. Позже это подразделение стало частью BAE Systems.

Компьютер имеет максимальную тактовую частоту 33 МГц и быстродействие около 35 MIPS.

На плате установлено 128 МБ оперативной памяти с ECC. Обычно на этом компьютере работает ОСРВ VxWorks. Частота процессора может устанавливаться в 2.5, 5, 10 или 20 МГц.

PC/104

Форм-фактор PC/104 был принят в 1992 году, в ответ на требования об уменьшении габаритных размеров и энергопотребления для компьютерных систем. Каждая из этих целей была достигнута без снижения аппаратной и программной совместимости с популярными компьютерными стандартами. Спецификация PC104 предлагает полную архитектурную, аппаратную и программную совместимость с компьютерными стандартами в компактных размерах плат 3,6"x3.8" (91,44 мм х 96,52 мм). Название стандарта было получено из-за применения 104-контактной шины ISA, расположенного в нижней части платы (рис3).

Рис 3. Стек модулей формата PC/104

Стандарты PC/104 описывают модульный принцип построения компактных встраиваемых систем в виде колонны состыкованных друг с другом плат. Стандарты семейства PC/104 прекрасно зарекомендовали себя среди разработчиков компактных бортовых компьютерных систем. Многие инженеры выбирают РС/104 из-за преимуществ, которые дают малый вес и габариты таких устройств, механическая надёжность как разъёмов, так и всего конструктива в целом.

Семейство стандартов PC/104 описывает обмен данных между модулями по параллельным шинам ISA 16 бит, PCI 32 бит и с использованием последовательных интерконнектов PCI-Express, USB 2.0 и SATA и со - стоит из 5 спецификаций. Помимо самого компактного размера 90×96 мм, в семейство стандартов входят форм-факторы EPIC и EBX.

Один из примеров применения – это использование модулей формата PC/104 для построения аппаратуры для космического эксперимента «Терминатор». В рамках космического эксперимента осуществлялось наблюдение в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра слоистых образований на высотах верхней мезосферы – нижней термосферы в окрестности солнечного терминатора».

Для данного КЭ компания РОБИС разработала и изготовила блока электроники (БЭ) для управления микрокамерами и связи со служебными системами РС МКС (рис4)

а)

б)

Рис. 4 – НА «Терминатор». (а) – комплект для регистрации СО; (б) – комплект для регистрации эмиссионного слоя в окрестности солнечного терминатора

Ядром блока электроники является процессорная плата формата CPC1600 (Производитель Fastwel)

Fastwel СРС1600 — встраиваемый одноплатный компьютер формата РС/104-Plus для высокопроизводительных бортовых систем. Плата создана на базе центральных процессоров Intel Pentium M / Celeron M с рабочей частотой до 2,0 ГГц

Дополнительная надежность компьютера обеспечивается системой мониторинга рабочих параметров, сторожевым таймером и наличием резервной копии CMOS. Температурный диапазон эксплуатации индустриального исполнения СРС1600 составляет от –40 до +85°С

CPC1600 имеет поддержку для операционных систем Windows XP Embedded, QNX и Linux.

MicroPC

MicroPC — форм-фактор IBM PC-совместимых (x86) промышленных компьютеров для жёстких условий эксплуатации.

Размер плат MicroPC 124×112 мм. Благодаря оригинальной концепции разработки изделия стандарта MicroPC являются одними из наиболее устойчивых к воздействию жестких внешних факторов на рынке встраиваемых компьютеров.  Модули MicroPC позволяют оперативно строить недорогие высоконадежные встраиваемые системы и системы автоматизации из готовых «кирпичиков»

Рис 5. Шасси с модулями формата MicroPC

Особенность конструкции:

  • пассивная материнская плата (объединительная панель или шлейф);

  • 4-точечное крепление плат расширения;

  • возможно наличие дополнительных дискретных и аналоговых портов ввода-вывода или наличие расширения PC/104 у процессорных модулей;

  • сторожевой таймер;

  • расширенный температурный диапазон: от −40 до +85 °C;

  • низкое энергопотребление и выделение тепла.

Ярким примером использования модулей формата MicroРС в космосе – является пульт космонавтов «НЕПТУН-МЭ» пилотируемого транспортного корабля «СОЮЗ ТМА-М»

В настоящее время доставка экипажей на околоземную орбиту осуществляется с помощью транспортных пилотируемых кораблей серии «Союз ТМА-М», являющихся модификацией кораблей «Союз ТМА».  В кораблях устанавливаются пульты космонавтов нового поколения – «Нептун-МЭ» (рис5), разработанным НИИАО. Пульт представляет собой трехпроцессорную вычислительную систему, включающую два канала отображения информации на основе матричных жидкокристаллических индикаторов, средства обмена с бортовыми системами корабля, органы ручного управления бортовым комплексом.

Рис 6. Пульт «Нептун-МЭ космического корабля «Союз ТМА»  

Пульт космонавтов «Нептун-МЭ» предназначен для контроля и оперативного управления членами экипажа бортовыми системами космического корабля.

Технические средства разрабатывались и выбирались с учетом требований работоспособности в условиях невесомости и разгерметизации спускаемого аппарата, т.е. с учетом работы космонавтов в скафандре.

Вычислительная часть построена с использованием модулей MicroPC. За свою долгую историю пульт управления прошел несколько этапов модеронизации. В настоящее время современные пульты управления планируется выпускать на базе модулей Fastwel CPC152

Процессорный модуль СРС152 выполнен на базе процессора Vortex 86DX с частотой 600 МГц. Применение платы СРС152 позволяет системным интеграторам решить сразу несколько задач, в первую очередь связанных с продлением жизненного цикла систем технологического управления, основанных на платах стандарта MicroPC. При проектировании изделия были учтены требования максимальной совместимости с процессорными платами Octagon Systems, широко представленными в системах АСУ ТП нижнего уровня добывающей и обрабатывающей промышленности(рис6)

В то же время по функциональности СРС152 находится на переднем крае современных технологий вычислительной техники для встраиваемых систем. Производительность процессора соответствует уровню Intel Pentium, что позволяет отрабатывать самые сложные алгоритмы технологического управления в реальном времени. Напаянный твердотельный диск объемом 2 ГБ позволяет устанавливать операционную систему прямо на плату, а в большей части проектов – обойтись вообще без дополнительных накопителей.

Для выполнения технологических задач СРС152 может комплексироваться как с модулями ввода-вывода в формате MicroPC, так и с платами расширения формата РС/104, для чего на плате предусмотрен соответствующий разъем. Его наличие в сочетании с разъемом внешнего питания позволяет применять СРС152 также в бортовых системах и системах специального назначения.

Благодаря полностью напаянным компонентам модуль СРС152 выдерживает высокий уровень механических нагрузок, а влагозащитное покрытие (опционально) позволяет эксплуатировать плату в условиях высокой влажности. Диапазон рабочих температур составляет от –40 до +85°C.

   История Пульта является показательным примером: Впервые в отечественной и мировой практике создана одноэкранная бортовая система отображения информации (СОИ) сложного объекта на основе средств и методов наземных технологий. Основные технические и программные решения защищены патентами и свидетельствами [6].

Заключение

Использование COTS позволяет быстро разработать изделие в условиях высокой конкуренции. Как показали примеры, COTS применяются не только в западными компаниями-разработчиками, но и в РФ.

COTS позволяют создать конкурентоспособные вычислительные системы. Данная технология является гарантом долговременного успеха, обеспечивая применение новейших общемировых бизнес-тенденций и инженерных достижений в области современных встраиваемых компьютерных технологий.

         Литература

  1. SpaceVPX – космическая надёжность магистрально–модульных систем, МКА: ВКС №2/2016

  2. Микроэлектроника для космоса и военных. Электронный ресурс https://special.habrahabr.ru/kyocera/p/156049/

  3. Когда кубсаты стали большими. Электронный ресурс https://geektimes.ru/company/dauria/blog/248976/

  4. CompactPCI – стандарт для построения космической вычислительной техники. СТА № 1/2017. Стр 30-31.

  5. Интегрированная СОИ космического корабля "Союз-ТМА" и пульт ручного контура управления Российского сегмента МКС "Альфа"  Электронный ресурс: http://www.cosmoworld.ru/spaceencyclopedia/publications/tma.25.08.05.pdf

Поделиться новостью
Российская электроника
для ответственных применений
Задать вопрос