El uso de tecnologías COTS en desarrollos especiales es un medio comprobado para reducir el tiempo y los costos financieros. El artículo analiza la experiencia de usar COTS para crear computadoras utilizadas a bordo de naves espaciales.
COTS (Comercial listo para usar - "listo para usar"): la tecnología significa que para la construcción de sistemas de propósito especial se aplica un enfoque especial, de acuerdo con los módulos de computación industrial que se utilizan, y los bastidores, bastidores, bloques de conmutación y cables están hechos en un diseño especial y proporcionar las condiciones de funcionamiento requeridas (por ejemplo, resistencia a las influencias climáticas, vibratorias, acústicas y de otro tipo). Las tecnologías COTS utilizan tecnologías de hardware y software de código abierto listas para usar, previamente ampliamente probadas y / o estandarizadas en el mercado de aplicaciones civiles industriales en general.
Históricamente, el concepto COTS surgió como una iniciativa del Departamento de Defensa de los EE. UU. Y los departamentos de defensa de varios otros países occidentales que desean reducir sus costos al reducir la participación de soluciones y tecnologías costosas y únicas. Para los desarrolladores rusos, en el momento actual, en el contexto de una situación económica agravante y la imposición de sanciones que bloquean el acceso a la base del elemento de defensa y uso dual, este método de ahorrar dinero en la creación de equipos con altas características técnicas es especialmente relevante.
La tendencia general de construir sistemas basados en componentes COTS estandarizados ha penetrado en la industria espacial. Esto fue facilitado por el ritmo extremadamente rápido de la exploración espacial, la complejidad de las tareas a resolver, los requisitos para acortar el desarrollo y la modernización de los sistemas, y aumentar su velocidad y confiabilidad. En la actualidad, en el espacio siempre hay una gran cantidad de aviones habitados y deshabitados de varios países. Esta industria se ha convertido en una industria poderosa relacionada con la investigación, producción de nuevos materiales, defensa y otras tareas relevantes [1].
Cómo la radiación afecta a los microcircuitos
En "pedazos de partículas", la radiación cósmica consiste en 90% de protones (es decir, iones de hidrógeno), 7% de núcleos de helio (partículas alfa), ~ 1% de átomos más pesados y ~ 1% de electrones. Bueno, las estrellas (incluido el sol), los núcleos galácticos, la Vía Láctea, iluminan abundantemente todo no solo con luz visible, sino también con rayos X y radiación gamma. Durante los brotes en el sol, la radiación del sol aumenta en 1000-1'000'000 veces, lo que puede ser un problema grave (tanto para las personas del futuro como para las naves espaciales actuales fuera de la magnetosfera de la Tierra).
Hay 2 cinturones de partículas cargadas alrededor de la tierra: los denominados cinturones de radiación de Van Allen: a una altitud de ~ 4000 km de los protones, y a una altitud de ~ 17 000 km de los electrones. Las partículas allí se mueven en órbitas cerradas, capturadas por el campo magnético de la tierra. También hay una anomalía magnética brasileña, donde el cinturón de radiación interna se acerca al suelo, hasta una altura de 200 km.
Cuando la radiación gamma y de rayos X (incluida la radiación secundaria, obtenida debido a la colisión de electrones con el cuerpo del aparato) pasa a través del microcircuito, la carga comienza a acumularse gradualmente en el dieléctrico de la puerta de los transistores y, en consecuencia, los parámetros de los transistores comienzan a cambiar lentamente: el voltaje umbral de los transistores y la corriente de fuga. Un microcircuito digital civil ordinario ya puede dejar de funcionar normalmente después de 5000 rad (sin embargo, una persona puede dejar de trabajar después de 500-1000 rad).
En una órbita baja de 300-500 km (donde la gente vuela), la dosis anual puede ser de 100 rad o menos, respectivamente, incluso durante 10 años, la dosis recolectada será tolerada por microcircuitos civiles. Pero en órbitas altas> 1000 km, la dosis anual puede ser de 10'000-20'000 rad, y los microcircuitos convencionales ganarán una dosis letal en cuestión de meses.
El mayor problema en la electrónica espacial es la colisión con partículas cargadas pesadas (TZP): protones, partículas alfa e iones de alta energía. Los TZCh tienen una energía tan alta que “atraviesan” el microcircuito (junto con el cuerpo del satélite) y dejan un “circuito” de carga detrás de ellos. En el mejor de los casos, esto puede conducir a un error de software (0 se convierte en 1 o viceversa), en el peor de los casos, puede provocar el enganche del tiristor. En un chip bloqueado, la potencia se acorta a tierra, la corriente puede ser muy grande y provocar la quema del chip. Si logra apagar la alimentación y conectarla antes de la combustión, todo funcionará como siempre.
Las partículas cargadas pesadas (TZZ) del espacio exterior, que actúan sobre circuitos integrados (IC), pueden causar la distorsión de bits o programas de datos individuales. La intensidad de las fallas depende del tipo de memoria utilizada, los parámetros de la órbita y la actividad del Sol.
Hay varias formas de lidiar con el ajuste:
1) Monitoree la corriente consumida y distorsione rápidamente la potencia.
2) Use chips en un sustrato de zafiro (Silicon-on-sapphire, SOS, en una forma más general Silicon-on-insulator, SOI): esto elimina la formación de transistores parásitos bipolares y, en consecuencia, el chasquido. No obstante, aún puede haber errores de software. Las obleas de silicio sobre zafiro son caras, difíciles de procesar y tienen un uso limitado en el sector civil; en consecuencia, la producción es costosa.
3) Utilice el llamado proceso de triple pozo: también reduce en gran medida la posibilidad de romper el microcircuito debido al aislamiento adicional de los transistores por la unión pn, pero no requiere ninguna placa o equipo especial y, en consecuencia, la producción en sí es mucho más barata que el silicio sobre zafiro.
Históricamente, en la URSS y Rusia, trabajaron más con silicio en zafiro, y en Occidente intentan usar silicio regular con triple pozo tanto como sea posible (para combinar con productos comerciales y reducir costos), pero también hacen SOS / SOI según sea necesario.
En el caso en que, debido al SLC en la nave espacial, se produjo una distorsión del contenido de la memoria o la lógica funcionó incorrectamente. Para lidiar con esto solo queda en formas arquitectónicas, por ejemplo:
- por lógica mayoritaria (cuando conectamos 3 copias de cada bloque que necesitamos a una cierta distancia una de la otra - entonces 2 respuestas correctas "dominarán" a una incorrecta usando más celdas de memoria resistentes a errores (de 10 transistores, en lugar de los 6 habituales),
- el uso de códigos de corrección de errores en memoria, caché y registros.
Pero es imposible deshacerse por completo de los errores, porque un SLC (o más bien, todo un fanático de las partículas secundarias) puede ocurrir exactamente a lo largo del chip, y casi el 5% del chip puede fallar. Aquí necesitamos un sistema altamente confiable de varias computadoras independientes, y su programación adecuada.
Como resultado, el uso de microcircuitos civiles en el espacio está limitado por el efecto de rotura, y posiblemente en el mejor de los casos en órbitas bajas. En órbitas altas y en el espacio profundo, necesitamos microcircuitos resistentes a la radiación especiales, porque allí estamos privados de la protección del campo magnético de la tierra, y un metro de plomo no nos salvará de las partículas de radiación cósmica de alta energía [2]. Las áreas de aplicación de la tecnología COTS deben estar claramente definidas, y su uso ilegal puede conducir a resultados negativos.
Ejemplos del uso de tecnologías COTS en el espacio.
La confirmación del uso en el espacio de las tecnologías COTS y las baterías electrónicas industriales es la creciente popularidad de los satélites fabricados de acuerdo con el estándar CubeSat.
Kubsat, CubeSat: un formato de pequeños satélites artificiales (ultra pequeños) de la Tierra para la exploración espacial, que tiene un volumen de 1 litro y una masa de no más de 1,33 kg o varios (múltiples) más (Fig. 1).
Fig. 1 Satélite CubeSat de Dauria AerospaceLos Kubsats generalmente usan el marco del chasis con la especificación CubeSat y los accesorios estándar adquiridos: electrónica COTS y otros componentes. Las especificaciones CubeSat fueron desarrolladas en 1999 por las Universidades Politécnica de California y Stanford para simplificar la creación de satélites ultra pequeños.
La especificación CubeSat incluye dimensiones y arquitectura estandarizadas. Todos los CubeSat se dividen en dimensiones de 1 unidad (10 × 10 × 10 cm), 2U (10 × 10 × 20 cm), 3U (10 × 10 × 30 cm) y así sucesivamente.
El estándar CubeSat no limita la imaginación de los desarrolladores y los enfoques de ingeniería para construir naves espaciales. No hay instrucciones de montaje generalmente aceptadas dentro del kubsat, es decir, estándares universales que describen información, interfaces mecánicas o eléctricas. Hay recomendaciones como hacer coincidir las dimensiones de las placas electrónicas con el factor de forma PC / 104, algunos enfoques para el cableado de contactos, buses de información y buses de alimentación, pero cada desarrollador puede tener una implementación específica [3].
Los satélites CubeSat se están creando a partir de productos electrónicos de grado industrial, es decir uno que está diseñado para la explotación en la Tierra, y no se preparó para el espacio. A pesar de esto, las capacidades de los chips modernos les permiten trabajar en condiciones aparentemente inadecuadas. Pueden ser de corta duración, pero aseguran la operabilidad de los dispositivos hasta un año, o incluso varias veces más [4].
Otras normas COTS
CompactPCILos sistemas basados en el estándar CompactPCI incorporan una construcción mecánica que le permite instalar el procesador y los módulos periféricos en una placa de circuito cruzado pasivo con interconexiones estándar para el intercambio de datos entre los módulos del sistema. Las características de construcciones, tipos y topologías, las interconexiones utilizadas están bien documentadas en el estándar correspondiente desarrollado por un consorcio de compañías internacionales bajo los auspicios de PICMG (www.picmg.org) (Fig. 2).
Fig. 2 El principio de acoplamiento de los módulos estándar CompactPCILos sistemas se construyen en la construcción de Euromechanics 3U (Fig. 3), 6U
Beneficios clave del estándar CompactPCI:
- la capacidad de construir sistemas informáticos heterogéneos y multiprocesadores;
- alta resistencia a golpes y vibraciones;
- enfriamiento efectivo;
- soporte para intercambio en caliente;
- soporte de respaldo;
- el uso de chasis estándar de diferentes fabricantes.
Fig. 3 Caja con módulos CompactPCIUn ejemplo significativo de la confiabilidad de los sistemas fabricados de acuerdo con el estándar CompactPCI es el sistema de control móvil Opportunity, que es controlado por dos computadoras basadas en el estándar CompactPCI [5].
El rover Opportunity aterrizó en el planeta rojo el 24 de enero de 2004 y todavía está en funcionamiento.
El núcleo del sistema de control es una computadora de placa única RAD6000 (fabricante BAE Systems), hecha en el formato de CompactPCI 6U versión 2.0.
RAD6000 es una computadora de placa única resistente a la radiación basada en el procesador RISC, lanzado por IBM. Esta división luego se convirtió en parte de BAE Systems.
La computadora tiene una velocidad de reloj máxima de 33 MHz y una velocidad de aproximadamente 35 MIPS.
La placa tiene 128 MB de RAM con ECC. Por lo general, VxWorks RTOS se ejecuta en esta computadora. La frecuencia del procesador se puede establecer en 2.5, 5, 10 o 20 MHz.
PC / 104El factor de forma PC / 104 se adoptó en 1992 en respuesta a las demandas para reducir las dimensiones generales y el consumo de energía para los sistemas informáticos. Cada uno de estos objetivos se logró sin comprometer la compatibilidad de hardware y software con los estándares informáticos populares. La especificación PC104 ofrece compatibilidad total de arquitectura, hardware y software con los estándares de la computadora en tamaños de placa compacta de 3.6 "x3.8" (91.44 mm x 96.52 mm). El nombre del estándar se obtuvo debido al uso del bus ISA de 104 pines ubicado en la parte inferior del tablero (Fig. 4).
Fig. 4 Pila de módulos de formato PC / 104Los estándares PC / 104 describen el principio modular de construir sistemas integrados compactos en forma de una columna de placas conectadas entre sí. Los estándares de la familia PC / 104 se han demostrado entre los desarrolladores de sistemas informáticos compactos a bordo. Muchos ingenieros eligen el PC / 104 debido a las ventajas que brindan el peso ligero y las dimensiones de dichos dispositivos, la confiabilidad mecánica de los conectores y de toda la estructura en su conjunto.
La familia de estándares PC / 104 describe el intercambio de datos entre módulos en buses paralelos ISA de 16 bits, PCI-32 bits y utilizando interconexiones PCI-Express, USB 2.0 y SATA serie y consta de 5 especificaciones. Además del tamaño más compacto de 90 × 96 mm, los factores de forma EPIC y EBX también forman parte de la familia estándar.
Un ejemplo de aplicación es el uso de módulos de formato PC / 104 para construir equipos para el experimento espacial "Terminator". En el marco del experimento espacial, se observó el espectro de formaciones en capas en los rangos de IR visible y cercano a las alturas de la mesosfera superior, la termosfera inferior en la vecindad del terminador solar ”(Fig. 5).
Fig. 5 - ENCENDIDO "Terminator".El núcleo del bloque electrónico es un formato de placa de procesador CPC1600 (fabricante Fastwel)
MicroPCMicroPC es un factor de forma de las computadoras industriales IBM compatibles con PC (x86) para entornos hostiles.
Tamaño de placa MicroPC 124 × 112 mm. Gracias al concepto de desarrollo original, los productos MicroPC se encuentran entre los más resistentes a los factores externos severos en el mercado de computadoras integradas. Los módulos MicroPC le permiten construir rápidamente sistemas embebidos de bajo costo y altamente confiables y sistemas de automatización a partir de "ladrillos" prefabricados (Fig. 6).
Fig. 6 Chasis con módulos de formato MicroPCCaracterística de diseño:
• placa base pasiva (placa posterior o cable);
• tarjetas de expansión de montaje de 4 puntos;
• puede haber puertos de entrada / salida discretos y analógicos adicionales o la presencia de una extensión PC / 104 en los módulos del procesador;
• temporizador de vigilancia;
• rango de temperatura extendido: de −40 a +85 ° C;
• bajo consumo de energía y generación de calor.
Un ejemplo sorprendente del uso de módulos de formato MicroRS en el espacio es la consola de astronautas NEPTUN-ME de la nave espacial tripulada SOYUZ TMA-M.
Actualmente, las tripulaciones se están enviando a la órbita terrestre utilizando la nave espacial tripulada Soyuz TMA-M, que es una modificación de la nave espacial Soyuz TMA. Las naves están equipadas con consolas de astronautas de nueva generación: Neptune-ME (Fig. 7), desarrollada por el NIIAO. El control remoto es un sistema informático de tres procesadores que incluye dos canales para mostrar información basada en indicadores de matriz de cristal líquido, medios de intercambio con los sistemas a bordo del barco y unidades de control manual a bordo.
Fig. 7 Control remoto de la nave espacial Neptune-ME Soyuz TMA.La consola de astronautas Neptune-ME está diseñada para monitorear y controlar operacionalmente a los miembros de la tripulación mediante sistemas a bordo de naves espaciales.
Se desarrollaron y seleccionaron medios técnicos teniendo en cuenta los requisitos de operabilidad en las condiciones de ingravidez y despresurización del vehículo de descenso, es decir. teniendo en cuenta el trabajo de los astronautas en un traje espacial.
La parte informática se construye utilizando módulos MicroPC. [6]
ConclusiónEl uso de COTS le permite desarrollar rápidamente un producto en un entorno altamente competitivo. Como muestran los ejemplos, los COTS se utilizan no solo en empresas de desarrollo occidentales, sino también en la Federación de Rusia.
COTS le permite crear sistemas informáticos competitivos. Esta tecnología es una garantía de éxito a largo plazo, asegurando la aplicación de las últimas tendencias comerciales mundiales y los logros de ingeniería en el campo de las tecnologías informáticas integradas modernas.
Literatura1. SpaceVPX - confiabilidad espacial de la red troncal - sistemas modulares, MCA: VKS №2 / 2016
2.
Microelectrónica para espacio y militar. Recurso electrónico3. ¡
Cuidado, cachorros! Recurso electrónico4.
Cuando los cubos se hicieron grandes. Recurso electrónico5. CompactPCI: el estándar para construir computación espacial. CTA No. 1/2017. Página 30-31.
6. SOI integrado de la nave espacial Soyuz-TMA y el panel de control manual del segmento ruso ISS Alpha.
Recurso electronico .