Der Einsatz von COTS-Technologien in Spezialentwicklungen ist ein bewährtes Mittel zur Reduzierung von Zeit und finanziellen Kosten. Der Artikel beschreibt die Erfahrungen mit der Verwendung von COTS zur Erstellung von Computern an Bord von Raumfahrzeugen.
COTS (Commercial Off-The-Shelf - „gebrauchsfertig“) - Die Technologie bedeutet, dass für den Bau von Spezialsystemen ein spezieller Ansatz angewendet wird, nach dem industrielle Computermodule verwendet werden und die Racks, Racks, Schaltblöcke und Kabel in einem speziellen Design hergestellt werden Stellen Sie die erforderlichen Betriebsbedingungen bereit (z. B. Beständigkeit gegen Klima-, Vibrations-, Schall- und andere Einflüsse). COTS-Technologien verwenden vorgefertigte Open-Source-Hardware- und Softwaretechnologien, die zuvor auf dem Markt für allgemeine industrielle zivile Anwendungen umfassend getestet und / oder standardisiert wurden.
In der Vergangenheit entstand das COTS-Konzept auf Initiative des US-Verteidigungsministeriums und der Verteidigungsministerien mehrerer anderer westlicher Länder, die ihre Kosten senken möchten, indem sie den Anteil teurer einzigartiger Lösungen und Technologien reduzieren. Für russische Entwickler ist derzeit angesichts einer sich verschärfenden wirtschaftlichen Situation und der Verhängung von Sanktionen, die den Zugang zur Elementbasis der Verteidigung und des doppelten Verwendungszwecks blockieren, diese Methode zur Einsparung von Geld bei der Schaffung von Geräten mit hohen technischen Merkmalen besonders relevant.
Der allgemeine Trend zu Gebäudesystemen auf Basis standardisierter COTS-Komponenten hat die Raumfahrtindustrie durchdrungen. Dies wurde durch das extrem schnelle Tempo der Weltraumforschung, die Komplexität der zu lösenden Aufgaben, die Anforderungen an die Verkürzung der Entwicklung und Modernisierung von Systemen sowie die Erhöhung ihrer Geschwindigkeit und Zuverlässigkeit erleichtert. Gegenwärtig gibt es im Weltraum immer eine große Anzahl von bewohnten und unbewohnten Flugzeugen verschiedener Länder. Diese Branche hat sich zu einer leistungsstarken Branche entwickelt, die sich mit Forschung, Herstellung neuer Materialien, Verteidigung und anderen relevanten Aufgaben befasst [1].
Wie Strahlung Mikroschaltungen beeinflusst
In "Teilchenstücken" besteht die kosmische Strahlung aus 90% Protonen (d. H. Wasserstoffionen), 7% Heliumkernen (Alpha-Teilchen), ~ 1% schwereren Atomen und ~ 1% Elektronen. Nun, Sterne (einschließlich der Sonne), galaktische Kerne, die Milchstraße - beleuchten alles reichlich, nicht nur mit sichtbarem Licht, sondern auch mit Röntgen- und Gammastrahlung. Bei Ausbrüchen in der Sonne nimmt die Sonnenstrahlung um das 1000-1'000'000-fache zu, was ein ernstes Problem sein kann (sowohl für Menschen der Zukunft als auch für aktuelle Raumfahrzeuge außerhalb der Erdmagnetosphäre).
Es gibt 2 Gürtel geladener Teilchen um die Erde - die sogenannten Van-Allen-Strahlungsgürtel: in einer Höhe von ~ 4000 km von Protonen und in einer Höhe von ~ 17 000 km von Elektronen. Dort bewegen sich die Teilchen in geschlossenen Bahnen, die vom Magnetfeld der Erde erfasst werden. Es gibt auch eine brasilianische magnetische Anomalie - bei der sich der interne Strahlungsgürtel bis zu einer Höhe von 200 km dem Boden nähert.
Wenn Gamma- und Röntgenstrahlung (einschließlich Sekundärstrahlung, die aufgrund der Kollision von Elektronen mit dem Gerätekörper erhalten wird) durch den Mikrokreis läuft, beginnt sich die Ladung allmählich im Gate-Dielektrikum der Transistoren anzusammeln, und dementsprechend beginnen sich die Parameter der Transistoren langsam zu ändern - die Schwellenspannung der Transistoren und der Leckstrom. Ein gewöhnlicher ziviler digitaler Mikrokreislauf kann bereits nach 5000 rad aufhören, normal zu arbeiten (eine Person kann jedoch nach 500-1000 rad aufhören zu arbeiten).
In einer niedrigen Umlaufbahn von 300 bis 500 km (wo Menschen fliegen) kann die jährliche Dosis 100 rad oder weniger betragen, selbst für 10 Jahre wird die gesammelte Dosis von zivilen Mikrokreisläufen toleriert. Bei hohen Umlaufbahnen> 1000 km kann die jährliche Dosis jedoch 10'000-20'000 rad betragen, und herkömmliche Mikrokreise erhalten innerhalb weniger Monate eine tödliche Dosis.
Das größte Problem in der Weltraumelektronik ist die Kollision mit schwer geladenen Teilchen (TZP) - Protonen, Alpha-Teilchen und hochenergetischen Ionen. TZCh haben eine so hohe Energie, dass sie den Mikrokreislauf (zusammen mit dem Körper des Satelliten) „durchbohren“ und eine „Ladungsschleife“ hinter sich lassen. Im besten Fall kann dies zu einem Softwarefehler führen (0 wird 1 oder umgekehrt), im schlimmsten Fall kann es zu einer Thyristor-Verriegelung kommen. In einem verriegelten Chip wird die Leistung gegen Masse kurzgeschlossen, der Strom kann sehr groß werden und zum Verbrennen des Chips führen. Wenn Sie es schaffen, die Stromversorgung auszuschalten und vor der Verbrennung anzuschließen, funktioniert alles wie gewohnt.
Schwer geladene Teilchen (TZZ) des Weltraums, die auf integrierte Schaltkreise (ICs) einwirken, können zu Verzerrungen einzelner Datenbits oder Programme führen. Die Intensität der Ausfälle hängt von der Art des verwendeten Speichers, den Parametern der Umlaufbahn und der Aktivität der Sonne ab.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, mit dem Einrasten umzugehen:
1) Überwachen Sie den verbrauchten Strom und verzerren Sie schnell die Stromversorgung.
2) Verwenden Sie Chips auf einem Saphirsubstrat (Silizium-auf-Saphir, SOS, in einer allgemeineren Form Silizium-auf-Isolator, SOI) - dies verhindert die Bildung von bipolaren parasitären Transistoren und dementsprechend das Einrasten. Trotzdem können Softwarefehler auftreten. Silizium-auf-Saphir-Wafer sind teuer, schwer zu verarbeiten und werden im zivilen Sektor nur begrenzt eingesetzt - dementsprechend ist die Produktion teuer.
3) Verwenden Sie das sogenannte Triple-Well-Verfahren - es verringert auch die Möglichkeit des Ausbrechens der Mikroschaltung aufgrund der zusätzlichen Isolation der Transistoren durch den pn-Übergang erheblich, erfordert jedoch keine speziellen Platten oder Geräte, und dementsprechend ist die Herstellung selbst viel billiger als Silizium auf Saphir.
In der UdSSR und in Russland haben sie in der Vergangenheit mehr mit Silizium auf Saphir gearbeitet, und im Westen versuchen sie, normales Silizium so gut wie möglich mit Triple-Well zu verwenden (um es mit kommerziellen Produkten zu kombinieren und die Kosten zu senken), aber sie führen bei Bedarf auch SOS / SOI durch.
In dem Fall, in dem aufgrund des SLC im Raumfahrzeug eine Verzerrung des Speicherinhalts auftrat oder die Logik nicht richtig funktionierte. Um damit umzugehen, bleibt nur auf architektonische Weise, zum Beispiel:
- Nach der Mehrheitslogik (wenn wir 3 Kopien jedes Blocks in einem bestimmten Abstand voneinander verbinden - "überwältigen" 2 richtige Antworten eine falsche mit fehlerresistenteren Speicherzellen (von 10 Transistoren anstelle der üblichen 6).
- die Verwendung von Fehlerkorrekturcodes in Speicher, Cache und Registern.
Es ist jedoch unmöglich, Fehler vollständig zu beseitigen, da ein SLC (oder besser gesagt ein ganzer Fan von Sekundärpartikeln) genau entlang des Chips auftreten kann und fast 5% des Chips ausfallen können. Hier brauchen wir ein hochzuverlässiges System aus mehreren unabhängigen Computern und deren ordnungsgemäße Programmierung.
Infolgedessen ist die Verwendung von zivilen Mikroschaltungen im Weltraum durch den Schnappeffekt und möglicherweise bestenfalls in niedrigen Umlaufbahnen begrenzt. In hohen Umlaufbahnen und im Weltraum brauchen wir spezielle strahlungsbeständige Mikroschaltungen, weil Dort wird uns der Schutz des Erdmagnetfeldes entzogen, und ein Meter Blei wird uns nicht vor hochenergetischen Teilchen kosmischer Strahlung retten [2]. Die Anwendungsbereiche der COTS-Technologie sollten klar definiert sein, und ihre rechtswidrige Verwendung kann zu negativen Ergebnissen führen.
Beispiele für den Einsatz von COTS-Technologien im Weltraum
Die Bestätigung der Verwendung von COTS-Technologien und industriellen elektronischen Batterien im Weltraum ist die wachsende Beliebtheit von Satelliten, die nach dem CubeSat-Standard hergestellt wurden.
Kubsat, CubeSat - ein Format kleiner (ultrakleiner) künstlicher Erdsatelliten für die Weltraumforschung mit einem Volumen von 1 Liter und einer Masse von nicht mehr als 1,33 kg oder mehreren (mehreren) mehr (Abb. 1).
Abb. 1 CubeSat-Satellit von Dauria AerospaceKubsats verwenden normalerweise den CubeSat-Chassisrahmen und das gekaufte Standardzubehör - COTS-Elektronik und andere Komponenten. Die CubeSat-Spezifikationen wurden 1999 von den Universitäten California Polytechnic und Stanford entwickelt, um die Erstellung ultrakleiner Satelliten zu vereinfachen.
Die CubeSat-Spezifikation enthält standardisierte Abmessungen und Architekturen. Alle CubeSat sind in Abmessungen von 1 Einheit (10 × 10 × 10 cm), 2U (10 × 10 × 20 cm), 3U (10 × 10 × 30 cm) usw. unterteilt.
Der CubeSat-Standard schränkt die Vorstellungskraft von Entwicklern und technischen Ansätzen für den Bau von Raumfahrzeugen nicht ein. Es gibt keine allgemein anerkannten Montageanweisungen im kubsat, dh universelle Standards, die Informationen, mechanische oder elektrische Schnittstellen beschreiben. Es gibt Empfehlungen wie die Anpassung der Abmessungen von Elektronikplatinen an den PC / 104-Formfaktor, einige Ansätze für Verdrahtungskontakte, Informationsbusse und Leistungsbusse, aber jeder Entwickler kann eine bestimmte Implementierung haben [3].
CubeSat-Satelliten werden aus Industrieelektronik hergestellt, d.h. eine, die für die Ausbeutung auf der Erde konzipiert ist und sich nicht auf den Weltraum vorbereitet hat. Trotzdem ermöglichen die Fähigkeiten moderner Chips, unter scheinbar ungeeigneten Bedingungen zu arbeiten. Sie können von kurzer Dauer sein, gewährleisten jedoch die Funktionsfähigkeit von Geräten bis zu einem Jahr oder sogar mehrmals [4].
Andere COTS-Standards
CompactPCISysteme, die auf dem CompactPCI-Standard basieren, verfügen über ein mechanisches Konstrukt, mit dem Sie Prozessor- und Peripheriemodule in einer passiven Leiterplatte mit Standardverbindungen für den Datenaustausch zwischen Systemmodulen installieren können. Die Eigenschaften von Konstrukten, Typen und Topologien sowie verwendeten Verbindungen sind in dem entsprechenden Standard, der von einem Konsortium internationaler Unternehmen unter der Schirmherrschaft von PICMG (www.picmg.org) entwickelt wurde, gut dokumentiert (Abb. 2).
Abb. 2 Das Prinzip des Andockens von CompactPCI-StandardmodulenSysteme sind im Konstrukt von Euromechanics 3U (Abb. 3), 6U eingebaut
Hauptvorteile des CompactPCI-Standards:
- die Fähigkeit, heterogene Multiprozessor-Computersysteme aufzubauen;
- hohe Beständigkeit gegen Stöße und Vibrationen;
- effektive Kühlung;
- Unterstützung für Hot-Swapping;
- Backup-Unterstützung;
- die Verwendung von Standardchassis verschiedener Hersteller.
Abb. 3 Gehäuse mit CompactPCI-ModulenEin wichtiges Beispiel für die Zuverlässigkeit von Systemen, die gemäß dem CompactPCI-Standard hergestellt wurden, ist das Opportunity-Rover-Steuerungssystem, das von zwei Computern gesteuert wird, die auf dem CompactPCI-Standard basieren [5].
Der Opportunity Rover wurde am 24. Januar 2004 auf dem roten Planeten gelandet und ist noch in Betrieb.
Das Herzstück des Steuerungssystems ist ein Einplatinencomputer RAD6000 (Hersteller BAE Systems), der im Format CompactPCI 6U Version 2.0 hergestellt wird.
RAD6000 ist ein strahlungsbeständiger Einplatinencomputer, der auf dem von IBM veröffentlichten RISC-Prozessor basiert. Diese Abteilung wurde später Teil von BAE Systems.
Der Computer hat eine maximale Taktrate von 33 MHz und eine Geschwindigkeit von ca. 35 MIPS.
Die Karte verfügt über 128 MB RAM mit ECC. Normalerweise läuft VxWorks RTOS auf diesem Computer. Die Prozessorfrequenz kann auf 2,5, 5, 10 oder 20 MHz eingestellt werden.
PC / 104Der PC / 104-Formfaktor wurde 1992 als Reaktion auf die Forderung nach Reduzierung der Gesamtabmessungen und des Stromverbrauchs für Computersysteme eingeführt. Jedes dieser Ziele wurde erreicht, ohne die Hardware- und Softwarekompatibilität mit gängigen Computerstandards zu beeinträchtigen. Die PC104-Spezifikation bietet vollständige Kompatibilität von Architektur, Hardware und Software mit Computerstandards in kompakten Kartengrößen von 91,44 mm x 96,52 mm (3,6 "x 3,8"). Der Name des Standards wurde aufgrund der Verwendung des 104-poligen ISA-Busses auf der Unterseite der Platine erhalten (Abb. 4).
Abb. 4 Stapel von Modulen im PC / 104-FormatDie PC / 104-Standards beschreiben das modulare Prinzip des Aufbaus kompakter eingebetteter Systeme in Form einer miteinander verbundenen Platinensäule. Die Standards der PC / 104-Familie haben sich unter den Entwicklern kompakter Bordcomputersysteme bewährt. Viele Ingenieure entscheiden sich für den PC / 104 aufgrund der Vorteile, die das geringe Gewicht und die Abmessungen solcher Geräte, die mechanische Zuverlässigkeit sowohl der Steckverbinder als auch der gesamten Struktur insgesamt ergeben.
Die PC / 104-Standardfamilie beschreibt den Datenaustausch zwischen Modulen auf ISA-16-Bit-, PCI-32-Bit-Parallelbussen und unter Verwendung serieller PCI-Express-, USB 2.0- und SATA-Verbindungen und besteht aus 5 Spezifikationen. Neben der kompaktesten Größe von 90 × 96 mm gehören auch die Formfaktoren EPIC und EBX zur Standardfamilie.
Ein Anwendungsbeispiel ist die Verwendung von Modulen im PC / 104-Format zum Bau von Geräten für das Weltraumexperiment „Terminator“. Im Rahmen des Weltraumexperiments wurde das Spektrum der Schichtformationen im sichtbaren und nahen IR-Bereich auf den Höhen der oberen Mesosphäre - der unteren Thermosphäre in der Nähe des Solarterminators - beobachtet “(Abb. 5).
Abb. 5 - EIN “Terminator”.Der Kern des Elektronikblocks ist ein Prozessorplatinenformat CPC1600 (Hersteller Fastwel).
MicroPCMicroPC ist ein Formfaktor von IBM PC-kompatiblen (x86) Industriecomputern für raue Umgebungen.
MicroPC-Platinengröße 124 × 112 mm. Dank des ursprünglichen Entwicklungskonzepts gehören MicroPC-Produkte zu den widerstandsfähigsten gegenüber harten externen Faktoren auf dem Markt für eingebettete Computer. Mit MicroPC-Modulen können Sie schnell und kostengünstig hochzuverlässige eingebettete Systeme und Automatisierungssysteme aus vorgefertigten "Bausteinen" erstellen (Abb. 6).
Abb. 6 Gehäuse mit Modulen im MicroPC-FormatKonstruktionsmerkmal:
• passives Motherboard (Rückwandplatine oder Kabel);
• 4-Punkt-Erweiterungskarten;
• Möglicherweise sind zusätzliche diskrete und analoge Eingangs- / Ausgangsanschlüsse vorhanden oder eine PC / 104-Erweiterung an Prozessormodulen vorhanden.
• Watchdog-Timer;
• erweiterter Temperaturbereich: von –40 bis +85 ° C;
• Geringer Stromverbrauch und Wärmeerzeugung.
Ein eindrucksvolles Beispiel für die Verwendung von Modulen im MicroRS-Format im Weltraum ist die NEPTUN-ME-Astronautenkonsole des bemannten Raumfahrzeugs SOYUZ TMA-M.
Derzeit werden Besatzungen mit bemannten Raumfahrzeugen der Sojus TMA-M-Serie, die eine Modifikation des Sojus TMA-Raumfahrzeugs sind, in die Erdumlaufbahn gebracht. Die Schiffe sind mit Astronautenkonsolen der neuen Generation ausgestattet - Neptune-ME (Abb. 7), die von der NIIAO entwickelt wurden. Die Fernbedienung ist ein Computersystem mit drei Prozessoren, das zwei Kanäle zur Anzeige von Informationen auf der Grundlage von Matrix-Flüssigkristallanzeigen, zum Austausch mit den Bordsystemen des Schiffes und zur manuellen Steuerung des Bordkomplexes umfasst.
Abb. 7 Fernbedienung Neptune-ME Raumschiff Sojus TMA.Die Neptune-ME-Astronautenkonsole dient zur Überwachung und Betriebssteuerung von Besatzungsmitgliedern durch Bordsysteme von Raumfahrzeugen.
Technische Mittel wurden entwickelt und ausgewählt, unter Berücksichtigung der Anforderungen an die Bedienbarkeit unter den Bedingungen der Schwerelosigkeit und des Druckabfalls des Abstiegsfahrzeugs, d.h. unter Berücksichtigung der Arbeit von Astronauten in einem Raumanzug.
Der Computerteil besteht aus MicroPC-Modulen. [6].
FazitMit COTS können Sie schnell ein Produkt in einem wettbewerbsintensiven Umfeld entwickeln. Wie die Beispiele zeigten, werden COTS nicht nur in westlichen Entwicklungsunternehmen, sondern auch in der Russischen Föderation eingesetzt.
Mit COTS können Sie wettbewerbsfähige Computersysteme erstellen. Diese Technologie ist eine Garantie für langfristigen Erfolg und stellt die Anwendung der neuesten globalen Geschäftstrends und technischen Errungenschaften im Bereich moderner eingebetteter Computertechnologien sicher.
Literatur1. SpaceVPX - Raumzuverlässigkeit von Backbone-modularen Systemen, MCA: VKS №2 / 2016
2.
Mikroelektronik für Weltraum und Militär. Elektronische Ressource3.
Vorsicht, Cubsats! Elektronische Ressource4.
Als die Würfel groß wurden. Elektronische Ressource5. CompactPCI - der Standard für Building Space Computing. CTA Nr. 1/2017. Seite 30-31.
6. Integrierte SOI des Sojus-TMA-Raumfahrzeugs und des manuellen Bedienfelds des russischen ISS-Segments Alpha.
Elektronische Ressource .