L'utilisation de la technologie COTS dans l'espace

L'utilisation des technologies COTS dans des développements spéciaux est un moyen éprouvé de réduire le temps et les coûts financiers. L'article traite de l'expérience de l'utilisation de COTS pour créer des ordinateurs utilisés à bord de vaisseaux spatiaux.



COTS (Commercial Off-The-Shelf - «ready to use») - la technologie signifie que pour la construction de systèmes spéciaux, une approche spéciale est appliquée, selon laquelle des modules informatiques industriels sont utilisés, et les racks, racks, blocs de commutation et câbles sont fabriqués dans une conception spéciale et fournir les conditions de fonctionnement requises (par exemple, résistance aux influences climatiques, vibratoires, acoustiques et autres). Les technologies COTS utilisent des technologies matérielles et logicielles open source prêtes à l'emploi, précédemment largement testées et / ou normalisées sur le marché des applications civiles industrielles générales.

Historiquement, le concept COTS est né d'une initiative du département américain de la Défense et des départements de la défense de plusieurs autres pays occidentaux qui souhaitent réduire leurs coûts en réduisant la part de solutions et de technologies uniques coûteuses. Pour les développeurs russes, à l'heure actuelle, dans le contexte d'une situation économique aggravée et de l'imposition de sanctions qui bloquent l'accès à l'élément de base de la défense et du double usage, cette méthode d'économiser de l'argent sur la création d'équipements à hautes caractéristiques techniques est particulièrement pertinente.

La tendance générale des systèmes de construction basés sur des composants COTS normalisés a pénétré l'industrie spatiale. Cela a été facilité par le rythme extrêmement rapide de l'exploration spatiale, la complexité des tâches à résoudre, les exigences de raccourcir le développement et la modernisation des systèmes, et d'augmenter leur vitesse et leur fiabilité. À l'heure actuelle, dans l'espace, il y a toujours un grand nombre d'avions habités et inhabités de divers pays. Cette industrie est devenue une industrie puissante liée à la recherche, à la production de nouveaux matériaux, à la défense et à d'autres tâches pertinentes [1].

Comment le rayonnement affecte les microcircuits

Dans les "morceaux de particules", le rayonnement cosmique se compose de 90% de protons (c'est-à-dire d'ions hydrogène), 7% de noyaux d'hélium (particules alpha), ~ 1% d'atomes plus lourds et ~ 1% d'électrons. Eh bien, les étoiles (y compris le soleil), les noyaux galactiques, la Voie lactée - illuminent abondamment tout non seulement avec de la lumière visible, mais aussi avec des rayons X et des rayons gamma. Pendant les éruptions solaires, le rayonnement solaire augmente de 1 000 à 1 000 000 fois, ce qui peut être un grave problème (tant pour les personnes du futur que pour les vaisseaux spatiaux actuels en dehors de la magnétosphère terrestre).
Il y a 2 ceintures de particules chargées autour de la terre - les ceintures de rayonnement de Van Allen: à une altitude de ~ 4000 km des protons et à une altitude de ~ 17 000 km des électrons. Les particules s'y déplacent sur des orbites fermées, capturées par le champ magnétique terrestre. Il existe également une anomalie magnétique brésilienne - où la ceinture de rayonnement interne se rapproche du sol, jusqu'à une hauteur de 200 km.

Lorsque le rayonnement gamma et les rayons X (y compris le rayonnement secondaire, obtenu en raison de la collision d'électrons avec le corps de l'appareil) traversent le microcircuit, la charge commence à s'accumuler progressivement dans le diélectrique de grille des transistors, et en conséquence les paramètres des transistors commencent à changer lentement - la tension de seuil des transistors et le courant de fuite. Un microcircuit numérique civil ordinaire peut déjà cesser de fonctionner normalement après 5000 rad (cependant, une personne peut cesser de travailler après 500-1000 rad).

Dans une orbite basse de 300 à 500 km (où les gens volent), la dose annuelle peut être de 100 rad ou moins, respectivement, même pendant 10 ans, la dose collectée sera tolérée par les microcircuits civils. Mais dans les orbites hautes> 1000 km, la dose annuelle peut être de 10 000 à 20 000 rad, et les microcircuits conventionnels gagneront une dose mortelle en quelques mois.

Le plus gros problème de l'électronique spatiale est la collision avec des particules chargées lourdes (TZP) - protons, particules alpha et ions de haute énergie. Les TZCh ont une énergie si élevée qu’elles «transpercent» le microcircuit (ainsi que le corps du satellite) et laissent une «boucle» de charge derrière elles. Dans le meilleur des cas, cela peut entraîner une erreur logicielle (0 devient 1 ou vice versa), dans le pire des cas, cela peut entraîner un verrouillage des thyristors. Dans une puce verrouillée, la puissance est court-circuitée à la terre, le courant peut devenir très important et conduire à la combustion de la puce. Si vous parvenez à couper l'alimentation et à la connecter avant la combustion, alors tout fonctionnera comme d'habitude.

Les particules fortement chargées (TZZ) de l'espace extra-atmosphérique, agissant sur les circuits intégrés (CI), peuvent provoquer une distorsion des bits de données individuels ou des programmes. L'intensité des pannes dépend du type de mémoire utilisée, des paramètres de l'orbite et de l'activité du Soleil.

Il existe plusieurs façons de gérer le snapping:

1) Surveillez le courant consommé et déformez rapidement l'alimentation.
2) Utilisez des puces sur un substrat en saphir (Silicon-on-sapphire, SOS, sous une forme plus générale Silicon-on-isolator, SOI) - cela élimine la formation de transistors parasites bipolaires et, par conséquent, la rupture. Néanmoins, il peut encore y avoir des erreurs logicielles. Les tranches de silicium sur saphir sont coûteuses, difficiles à traiter et leur utilisation est limitée dans le secteur civil - en conséquence, la production est coûteuse.
3) Utilisez le procédé dit à triple puits - il réduit également considérablement la possibilité de casser le microcircuit en raison de l'isolement supplémentaire des transistors par la jonction pn, mais ne nécessite aucune plaque ou équipement spécial et, en conséquence, la production elle-même est beaucoup moins chère que le silicium sur saphir.

Historiquement, en URSS et en Russie, ils travaillaient davantage avec du silicium sur du saphir, et en Occident ils essayaient d'utiliser autant que possible du silicium ordinaire à triple puits (pour combiner avec des produits commerciaux et réduire les coûts), mais ils faisaient aussi du SOS / SOI au besoin.

Dans le cas où, en raison du SLC dans le vaisseau spatial, une distorsion du contenu de la mémoire s'est produite ou la logique a mal fonctionné. Pour gérer cela, il ne reste que de manière architecturale, par exemple:

- par logique majoritaire (lorsque nous connectons 3 copies de chaque bloc dont nous avons besoin à une certaine distance les unes des autres - alors 2 bonnes réponses «surpasseront» une mauvaise en utilisant des cellules de mémoire plus résistantes aux erreurs (sur 10 transistors, au lieu des 6 habituels),

- l'utilisation de codes de correction d'erreur dans la mémoire, le cache et les registres.

Mais il est impossible de se débarrasser complètement des erreurs, car un SLC (ou plutôt, tout un fan de particules secondaires) peut se produire exactement le long de la puce, et près de 5% de la puce peut échouer. Ici, nous avons besoin d'un système hautement fiable de plusieurs ordinateurs indépendants et de leur programmation appropriée.

En conséquence, l'utilisation de microcircuits civils dans l'espace est limitée par l'effet de claquement, et peut-être au mieux sur des orbites basses. Dans les orbites hautes et dans l'espace lointain - nous avons besoin de microcircuits spéciaux résistants aux radiations, car là, nous sommes privés de la protection du champ magnétique terrestre, et un mètre de plomb ne nous sauvera pas des particules de rayonnement cosmique de haute énergie [2]. Les domaines d'application de la technologie COTS doivent être clairement définis et leur utilisation illégale peut conduire à des résultats négatifs.

Exemples d'utilisation des technologies COTS dans l'espace

La confirmation de l'utilisation dans l'espace des technologies COTS et des batteries électroniques industrielles est la popularité croissante des satellites fabriqués selon la norme CubeSat.

Kubsat, CubeSat - le format des petits (ultra-petits) satellites artificiels de la Terre pour l'exploration spatiale, ayant un volume de 1 litre et une masse ne dépassant pas 1,33 kg ou plusieurs (plusieurs) de plus (Fig.1).


Fig.1 Satellite CubeSat de Dauria Aerospace

Les Kubsats utilisent généralement le cadre de châssis de spécification CubeSat et les accessoires standard achetés - l'électronique COTS et d'autres composants. Les spécifications CubeSat ont été développées en 1999 par les universités de la California Polytechnic et de Stanford pour simplifier la création de satellites ultra-petits.

La spécification CubeSat comprend des dimensions et une architecture normalisées. Tous les CubeSat sont divisés en dimensions de 1 unité (10 × 10 × 10 cm), 2U (10 × 10 × 20 cm), 3U (10 × 10 × 30 cm) et ainsi de suite.

La norme CubeSat ne limite pas l'imagination des développeurs et des approches d'ingénierie pour la construction de vaisseaux spatiaux. Il n'y a pas d'instructions de montage généralement acceptées à l'intérieur du kubsat, c'est-à-dire des normes universelles décrivant les informations, les interfaces mécaniques ou électriques. Il existe des recommandations telles que l'adaptation des dimensions des cartes électroniques au facteur de forme PC / 104, certaines approches de câblage des contacts, des bus d'information et des bus d'alimentation, mais chaque développeur peut avoir une implémentation spécifique [3].

Les satellites CubeSat sont créés à partir d'une électronique de qualité industrielle, c'est-à-dire celui qui est conçu pour être exploité sur Terre et ne s'est pas préparé pour l'espace. Malgré cela, les capacités des puces modernes leur permettent de fonctionner dans des conditions apparemment inappropriées. Ils peuvent être de courte durée, mais garantissent l'opérabilité des appareils jusqu'à un an, voire plusieurs fois [4].

Autres normes COTS

CompactPCI

Les systèmes basés sur la norme CompactPCI intègrent une construction mécanique qui vous permet d'installer le processeur et les modules périphériques dans une carte croisée passive avec des interconnexions standard pour l'échange de données entre les modules du système. Les caractéristiques des constructions, des types et des topologies, des interconnexions utilisées sont bien documentées dans la norme correspondante développée par un consortium de sociétés internationales sous les auspices du PICMG (www.picmg.org) (Fig.2).


Fig.2 Le principe de l'ancrage des modules standard CompactPCI

Les systèmes sont construits dans la construction d'Euromechanics 3U (Fig. 3), 6U

Avantages clés de la norme CompactPCI:

- la capacité de construire des systèmes informatiques hétérogènes multiprocesseurs;
- haute résistance aux chocs et aux vibrations;
- refroidissement efficace;
- prise en charge du remplacement à chaud;
- support de sauvegarde;
- l'utilisation de châssis standard de différents fabricants.


Fig.3 Boîtier avec modules CompactPCI

Un exemple significatif de la fiabilité des systèmes fabriqués conformément à la norme CompactPCI est le système de contrôle du mobile Opportunity, qui est contrôlé par deux ordinateurs basés sur la norme CompactPCI [5].

Le rover Opportunity a été posé sur la planète rouge le 24 janvier 2004 et fonctionne toujours.

Le cœur du système de contrôle est un ordinateur embarqué RAD6000 (fabricant BAE Systems), fabriqué au format CompactPCI 6U version 2.0.

RAD6000 est un ordinateur monorésistant aux radiations basé sur le processeur RISC, publié par IBM. Cette division est ensuite devenue partie intégrante de BAE Systems.
L'ordinateur a une vitesse d'horloge maximale de 33 MHz et une vitesse d'environ 35 MIPS.
La carte dispose de 128 Mo de RAM avec ECC. Habituellement, VxWorks RTOS s'exécute sur cet ordinateur. La fréquence du processeur peut être réglée sur 2,5, 5, 10 ou 20 MHz.

PC / 104

Le facteur de forme PC / 104 a été adopté en 1992 pour répondre aux demandes de réduction des dimensions globales et de la consommation électrique des systèmes informatiques. Chacun de ces objectifs a été atteint sans compromettre la compatibilité matérielle et logicielle avec les normes informatiques courantes. La spécification PC104 offre une compatibilité architecturale, matérielle et logicielle complète avec les normes informatiques dans des tailles de carte compactes de 3,6 "x3,8" (91,44 mm x 96,52 mm). Le nom de la norme a été obtenu grâce à l'utilisation du bus ISA à 104 broches situé au bas de la carte (Fig. 4).


Fig.4 Pile de modules au format PC / 104

Les normes PC / 104 décrivent le principe modulaire de la construction de systèmes embarqués compacts sous la forme d'une colonne de cartes connectées les unes aux autres. Les normes de la famille PC / 104 ont fait leurs preuves parmi les développeurs de systèmes informatiques embarqués compacts. De nombreux ingénieurs choisissent le PC / 104 en raison des avantages qui confèrent légèreté et dimensions de ces appareils, de la fiabilité mécanique des connecteurs et de l'ensemble de la structure dans son ensemble.

La famille de normes PC / 104 décrit l'échange de données entre modules sur des bus ISA parallèles de 16 bits, PCI 32 bits et utilisant des interconnexions série PCI-Express, USB 2.0 et SATA et se compose de 5 spécifications. En plus de la taille la plus compacte de 90 × 96 mm, les facteurs de forme EPIC et EBX font également partie de la famille standard.

Un exemple d'application est l'utilisation de modules au format PC / 104 pour construire des équipements pour l'expérience spatiale «Terminator». Dans le cadre de l'expérience spatiale, le spectre des formations en couches a été observé dans les gammes IR visible et proche aux hauteurs de la mésosphère supérieure - la thermosphère inférieure au voisinage du terminateur solaire »(Fig. 5).


Fig. 5 - SUR «Terminator».

Le cœur du bloc électronique est une carte processeur au format CPC1600 (fabricant Fastwel)

MicroPC

MicroPC est un facteur de forme des ordinateurs industriels compatibles IBM PC (x86) pour les environnements difficiles.

Carte MicroPC taille 124 × 112 mm. Grâce au concept de développement original, les produits MicroPC sont parmi les plus résistants aux agressions externes du marché des ordinateurs embarqués. Les modules MicroPC vous permettent de construire rapidement des systèmes embarqués et des systèmes d'automatisation hautement fiables à faible coût à partir de "briques" prêtes à l'emploi (Fig. 6).


Fig.6 Châssis avec modules au format MicroPC

Caractéristique de conception:

• carte mère passive (fond de panier ou câble);
• Cartes d'extension à montage en 4 points;
• il peut y avoir des ports d'entrée / sortie discrets et analogiques supplémentaires ou la présence d'une extension PC / 104 sur les modules de processeur;
• minuterie de surveillance;
• plage de température étendue: de -40 à +85 ° C;
• faible consommation d'énergie et production de chaleur.

Un exemple frappant de l’utilisation de modules au format MicroRS dans l’espace est la console d’astronaute NEPTUN-ME de l’engin spatial habité SOYUZ TMA-M.

Actuellement, des équipages sont acheminés vers l'orbite de la Terre à l'aide d'engins spatiaux habités de la série Soyouz TMA-M, qui sont une modification de l'engin spatial Soyouz TMA. Les navires sont équipés de consoles d'astronautes de nouvelle génération - Neptune-ME (Fig. 7), développées par le NIIAO. La télécommande est un système informatique à trois processeurs qui comprend deux canaux pour afficher des informations basées sur des indicateurs à cristaux liquides matriciels, des moyens d'échange avec les systèmes embarqués du navire et des commandes manuelles pour le complexe embarqué.


Fig. 7 Télécommande du vaisseau spatial Neptune-ME Soyouz TMA.

La console des astronautes Neptune-ME est conçue pour la surveillance et le contrôle opérationnel des membres d'équipage par des systèmes embarqués sur les vaisseaux spatiaux.

Des moyens techniques ont été développés et sélectionnés en tenant compte des exigences d'opérabilité dans les conditions d'apesanteur et de dépressurisation du véhicule de descente, c'est-à-dire en tenant compte du travail des astronautes dans une combinaison spatiale.

La partie informatique est construite à l'aide de modules MicroPC. [6].

Conclusion

L'utilisation de COTS vous permet de développer rapidement un produit dans un environnement hautement compétitif. Comme le montrent les exemples, les COTS sont utilisés non seulement dans les sociétés de développement occidentales, mais également dans la Fédération de Russie.

COTS vous permet de créer des systèmes informatiques compétitifs. Cette technologie est une garantie de succès à long terme, assurant l'application des dernières tendances commerciales mondiales et des réalisations d'ingénierie dans le domaine des technologies informatiques embarquées modernes.

Littérature

1. SpaceVPX - fiabilité spatiale de la dorsale - systèmes modulaires, MCA: VKS №2 / 2016
2. Microélectronique pour l'espace et l'armée. Ressource électronique
3. Attention, cubsats! Ressource électronique
4. Quand les cubes sont devenus gros. Ressource électronique
5. CompactPCI - la norme pour la construction de l'informatique spatiale. CTA n ° 1/2017. Pages 30-31.
6. SOI intégré de l'engin spatial Soyouz-TMA et du panneau de commande manuel du segment russe Alpha de l'ISS. Ressource électronique .