Европейская лаборатория в космосе

Дэвид Эванс (David Evans), инженер концепции космического полёта и руководитель программы OPS-SAT Европейского космического агентства. Авторское право: Европейское космическое агентство, Д. Скьюка CC BY-SA IGO 3.0

Даниэл Скьюка (Daniel Scuka), старший редактор управления полётных операций, Европейское космическое агентство. Авторское право ЕКА CC BY-SA IGO 3.0

В 1994 году первоклассный ПК потребительского класса имел процессор, обладавший мощностью всего 33 МГц, и крошечный жёсткий диск размером 250 Мбайт; была выпущена первая игровая приставка Sony; а Том Хэнкс снялся в фильме «Форрест Гамп». 1994 год стал также годом, когда европейские создатели КА приняли «Стандарт использования пакетных ресурсов», который представлял собой техническую спецификацию, где были изложены принципы обмена данными между космическими кораблями ЕКА и Землёй с использованием актуальных на тот момент программного обеспечения и аппаратных технологий.

В 2015 году наши телефоны на базе Android и IOS сами по себе являются карманными компьютерами; вы можете использовать кластер из последних игровых приставок в качестве суперкомпьютера; а Том Хэнкс стал старше на 21 год.

И тем не менее европейские космические летательные аппараты всё ещё продолжают обмен данными с Землёй, опираясь на почтенный «Стандарт использования пакетных ресурсов», тем самым привлекая особое внимание к столь важной проблеме, которая стоит перед космической отраслью: руководители проектов и операторы спутниковой связи, оплачивающие счета, не склонны позволить летать чему-либо, что может представлять для них даже минимальный риск, тем более если это непроверенное и критически важное для управления полётом программное обеспечение.

Благодаря популярным научно-фантастическим фильмам, таким как «Гравитация» и «Интерстеллар», мы склонны соотносить космическое пространство с самыми последними и самыми развитыми технологиями. Иногда так оно и есть, потому что не так просто управлять автоматизированным полётным комплексом в очень сложных условиях на расстоянии в миллионы километров. Тем не менее эти проблемы приводят к парадоксу: усовершенствованные новейшие технологии на некоторых критически важных этапах космического полёта почти никогда не используются. Вы были бы крайне удивлены, узнав, насколько устарели некоторые технологии, которые сейчас используются в космосе, и более всего они находят своё применение в области обеспечения полётных операций.

Если же говорить об особо важном программном обеспечении, то всегда найдётся достаточно аргументов, чтобы не отправлять в космическое пространство что-либо новое и неапробированное. Явный пример неготовности рисковать – трудность тестирования программного обеспечения на земле в тех же условиях, что и на орбите, и глубокое нежелание любого владельца спутника переделывать новую управляющую программу для действующей миссии, что может отвлечь внимание от изначально научной цели или от сбора данных.

Также необходимо считаться с «зонами комфорта» населения. Специализация и режимы работы космических аппаратов в любое время должны быть безупречны. Никто не хочет рисковать полётом из-за отказа программного обеспечения.

Безжалостный

Космические путешествия представляют собой сложный, не допускающий отступления от курса, вид деятельности. Стрессы при запуске как следствие необходимости попасть точно на орбиту; дикие колебания температуры уже при попадании туда; задержки и перерывы при обмене информацией с Землёй; воздействие солнечного ветра и космической радиации – это лишь некоторые из факторов, которые в совокупности подвергают бортовые средства управления спутника сильным нагрузкам, которые невозможно воспроизвести в земных условиях.

Микропроцессоры, предназначенные для использования в космическом пространстве, – это компьютерные мозги, которые поминутно контролируют каждый аспект функционирования КА. Они, как правило, на 20 лет отстают в своём развитии от тех, которые используются на Земле, если сравнивать технические показатели, что обусловлено необходимостью обеспечения жёсткой защиты от солнечной и космической радиации. На спутнике ЕКА CryoSat-2 используется стандартный для агентства компьютер ERC32.  Программное обеспечение, которое работает на этом микропроцессоре сегодня, эквивалентно тому, которое использовалось для массового рынка ПК в начале 90-х.

Наряду с техническими ограничениями, в нашем случае присутствует ещё один фактор – надёжность. Мы ожидаем, что программное обеспечение, которое используется на компьютере управления КА, должно без каких-либо проблем и перезагрузки работать в течение многих лет, чего можно достичь, следуя жёстким правилам написания текста программ. Эти правила, конечно, позволяют создать очень надёжное программное обеспечение, но также делают практически невозможным повторное наземное использование.     

В связи с этим предпочтение всегда отдаётся более ранней, но надёжной как скала технологии, которая уже была апробирована в полёте, а не чему-либо непознанному. Такая ситуация порождает порочный круг «не летал – не полетит» и означает, что в некоторых областях космическая отрасль потерялась где-то во времени с использованием аппаратных средств и программного обеспечения более показательных для начала 1990-х, чем для сегодняшнего дня.

Возможности выведения новых систем и технических средств на орбиту для перспективных разработчиков космического программного обеспечения, будь то оперативный, инновационный или зарекомендовавший себя проект, – крайне ограничены. И это та область, где новый полёт экспериментального спутника ЕКА, получившего название OPS-SAT, готов внести чрезвычайно позитивный вклад в освоение космоса.

Миниатюрная летающая лаборатория

В 2012 году идея ЕКА относительно нового космического полёта была направлена на то, чтобы разорвать порочный круг «не был – не будет». Такой спутник не должен быть массивным или оборудованным дорогостоящей профессиональной аппаратурой, но процессор управления, установленный на нём, должен быть достаточно мощным для обеспечения работы классического наземного программного обеспечения и достаточно безопасным для перезагрузки из-за отказа управляющей программы или воздействия радиационных эффектов.

Цель миссии OPS-SAT заключается в поддержке работы недорогой лаборатории, летающей на низкой околоземной орбите, доступной для проведения авторизованных экспериментов, чтобы продемонстрировать новые, инновационные концепции управления полётами в репрезентативных условиях.

Для обеспечения проведения как можно большего количества экспериментов OPS-SAT имеет полностью изменяемую конфигурацию (от прошивки – код внедрён в микропроцессорные чипы – вверх), укомплектованную мощной миниатюрной электронной аппаратурой и приборами для проведения экспериментов (см. рисунок).

OPS-SAT будет осуществлять полёт в качестве наноспутника размером всего лишь 10х10х30 см. Поскольку эта миссия всё-таки связана с риском, положительным моментом является запуск с использованием недорогой высокотехнологичной конфигурации наноспутника, а не традиционного полноразмерного спутника.

Радиационная обстановка в космическом пространстве будет оказывать негативный эффект на электронику OPS-SAT. С этой целью были предприняты определённые усилия, чтобы обеспечить достаточную жёсткость конструкции спутника. Она очень мала – КА состоит как бы из двух отдельных скреплённых спутников.

Что касается упоминаемой всуе новейшей электроники, в данном случае были использованы некоторые коммерческие нормализованные компоненты (большинство из которых уже имели полётный опыт). Расчётные характеристики второго комплекта подсистем CubeSat (малые спутники в виде куба, разработанные студентами университета Монтаны) оказались значительно ниже, чем у экспериментальной части спутника, но, в сущности, можно полагаться на мониторинг экспериментов и использовать прерыватель, если что-то пойдёт не так, что позволит космическому летательному аппарату изящно перейти в безопасный режим.

В этом режиме единственная задача блока CubeSat спутника заключается в том, чтобы установить связь с Землёй таким образом, чтобы инженеры смогли проанализировать проблему, перезагрузить процессор и возобновить проведение экспериментов.

Такой подход означает, что была преодолена некая граница риска, позволяющая исследователям загрузить новое программное обеспечение и на Земле, и на космическом корабле с укороченным предварительным тестированием.

Подготовка к полёту

В настоящее время ход развития подготовки полёта находится в стадии «Фаза B» – процесса управления деятельностью по внутреннему проекту ЕКА – и полностью финансируется по ориентировочной стоимости, составляющей 2,4 миллиона евро. Команда проекта ЕКА надеется завершить конфигурацию в этом году и приступить к интеграции и тестированию в 2016 году с последующим запуском в 2017 году. По плану OPS-SAT должен находиться на круговой орбите над полюсами на высоте около 620 км – это та орбита, которая соответствует всем техническим нормам минимизации воздействия космического мусора и при этом представляет собой актуальный и типичный план действий «в космическом пространстве».

Заявки на проведение экспериментов на OPS-SAT, когда он будет запущен, поступили уже более чем от 100 различных исследователей из разных стран Европы. В данном случае принимается во внимание каждый аспект управления полётом, и представлены компании и учреждения любого типа: от каких-то одиночных стартапов до крупных промышленных концернов.

Один из интереснейших моментов предусматривает совместную работу исследователей, что придаст большой синергетический эффект взаимодействию между ними, когда, например, одна группа разрабатывает программу для получения изображений и может использовать себе во благо результаты работы другой группы, работающей над вопросами сжатия данных, или ещё одной группы, которая работает над реализацией алгоритмов искусственного интеллекта для оценки необходимости отбраковки изображений до их загрузки, в случае если зафиксированные на них объекты прикрыты облаками.

Всё ещё есть время направить свои предложения по проведению экспериментов. Никакая идея не будет отклонена априори, независимо от того, насколько она креативна и нестандартна.

В запущенном ЕКА в 2010 году – спутнике CryoSat-2 – используется стандартный для агентства компьютер ERC32 с мощностью обработки для массового рынка ПК в 1990 году

 

Уникальный шанс для Европы

Мы предполагаем, что во время полёта, который продлится от 12 до 24 месяцев, мы сможем обеспечить экспериментальное время любому, кто представит хорошо продуманное предложение. Поскольку нас не беспокоит проблема оформления, это повлечёт за собой минимум бюрократических процедур, так что вместо бумажной возни экспериментаторы могут непосредственно заниматься своим делом.

Управление космическими полётами часто рассматривается как статическая деятельность, где риск и изменения являются анафемой. Тем не менее, OPS-SAT предоставит возможность для технологического скачка с минимальным риском и придаст мощный импульс развитию европейской промышленности. Мы надеемся, что каждый использует свой шанс, чтобы сделать этот шаг вперёд, чтобы заставить свои идеи работать на орбите.

***

Дэвид Эванс, разработчик концепции космического полёта в Европейском космическом агентстве, руководит проектом ЕКА OPS-SAT. Дэйв родом из Великобритании и ранее руководил центром управления спутниками при EUTELSAT (Европейская организация телекоммуникационной спутниковой связи) – третьим в мире операторе телекоммуникационной спутниковой связи. Он имеет несколько патентов в области исследований сжатия телеметрических данных бортовых систем космического корабля.

***

Сердце OPS-SAT

Бортовой компьютер: сердцем спутника OPS-SAT является двухъядерный ARM Cortex-A9 800MHz – один из самых современных процессоров, используемых в развивающемся диапазоне мобильных телефонов, навигаторов, смартфонов, домашних развлекательных систем, игровых консолей и так далее. Программное обеспечение настраивается, что позволяет вносить изменения в его функционирование даже после запуска. Это позволит провести тестирование полного спектра типичных спутниковых процессов: кодирования данных для передачи, обработки изображений, сжатия и так далее. Поскольку OPS-SAT предназначен для использования в качестве «лаборатории в небе» для новых систем управления и функций обработки информации (даже тех, что ещё не придумали), возможность программирования является ключевым фактором, что позволит многочисленным экспериментаторам продемонстрировать работу своего программного обеспечения в условиях космического полёта, реконфигурируя силикон.

Доступ для разработчиков: в случае OPS-SAT, ЕКА предлагает довольно новую схему доступа для исследователей. Они будут иметь возможность поставлять, получать и управлять файлами на борту спутника, впервые для космических аппаратов ЕКА.

Бортовые технические средства: обращённая в сторону Земли камера, способная получать изображения с разрешающей способностью на местности – 80 Mпиксель, блок GPS, миниатюрный блок управления с магнитографами, магнитометрами, маховиками, датчиками солнца, гироскопами и системой астроориентации. Исследователи имеют доступ к использованию всех этих средств для проведения своих экспериментов. Они имеют возможность эффективно взять спутник под контроль, направив его на другие цели, фотографировать, принимать решения на основе полученных результатов, обмениваясь данными с Землёй, использовать все функции, которые выполняет любой «реальный» спутник.

Коммуникации: передатчик Х-диапазона с высоким разрешением в состоянии передавать результаты экспериментов с орбиты на землю со скоростью 50 Мб/с. Для обеспечения частых/быстрых обновлений программного обеспечения на борту, скорость восходящей линии связи также значительно выше, чем на типичных спутниках, и составляет 256 кбит (на CryoSat-2 используется 4 кбит). Будет также установлен лазерный приёмный терминал для демонстрации первой в мире оптической линии связи «Земля – борт» к наноспутнику.

Управление космическим кораблём, который работает с помощью процессоров, устаревших в 1990-е годы, – непростая задача

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
European lab in the sky: OP-SAT and new potential for ESA spacecraft
 журнал «ROOM» № 2(4) 2015