Bridging the CubeSat reliability-cost gap with rad-hard anchor electronics devices / Bridging the CubeSat reliability-cost gap with rad-hard anchor electronics devices: Cubesat

Наблюдающаяся стойкая тенденция к увеличению количества проектов с применением спутников CubeSat не снимает важности вопроса обеспечения и повышения их надежности. Увеличение спроса на такие аппараты проявляется со стороны академических учреждений, государства и коммерческих структур. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что вероятность успеха связана с бюджетом проекта, и один из самых важных вопросов для обсуждения среди разработчиков - способы увеличения надежности, позволяющие удержать бюджет проекта на приемлемом уровне.

Vkmusk 26.11.16 в 09:36

Многие коммерчески доступные компоненты уже апробированы в недалеком прошлом. Но тем не менее, разработчики соглашаются между собой в том, что этот способ имеет свои риски. Использование приборов, пригодных для работы в космосе, не самым лучшим образом сказывается на бюджете проекта.

Vkmusk 26.11.16 в 09:57

Для того, чтобы удовлетворить более высокие требования новых спецификаций стандарта CubeSat (к примеру, для того, чтобы летать дальше), необходим новый подход по преодолению разрыва между надежностью и стоимостью проекта. Решение заключается в использовании радиационностойких компонентов, укладывающихся в бюджет любого из подобных проектов, и способных полноценно работать в космосе. Они могут использоваться как устройства по выполнению одиночных команд и хранения данных или в паре вместе с ПЛИС как мониторы правильного функционирования.
В то время как использование космических ПЛИС обычно очень затратно, использование радстойких компонентов для контроля работы дешевых коммерческих ПЛИС представляет из себя более бюджетный вариант позволяющий удержать общий бюджет проекта в адекватных рамках.

Vkmusk 26.11.16 в 10:21

Радиационно стойкие микроконтроллеры

Vkmusk 26.11.16 в 11:33

Готовые коммерческие изделия в какой-то степени подвержены влиянию ионизирующего излучения, поэтому становится все более популярным мнение, что МКА должны быть оборудованы как минимум одним радстойким контрольным чипом, обладающим устойчивостью к "защелке" и конфигурируемым для мониторинга работы всех подсистем кубсата и их сброса при необходимости.

Vkmusk 26.11.16 в 15:55

Радиационностойкий микроконтроллер может использоваться в сердце любой системы наноспутника для реализации контрольного и управляющего блока, исправляющего вызванные радиацией сбои в подсистемах, построенных на коммерческих компонентах.

Vkmusk 26.11.16 в 16:02

Радстойкий микроконтроллер может использоваться для управления и обработки данных в бортовом компьютере аппарата, но если требования системы выше, то он может заниматься загрузкой, контролем и сбросом бортового компьютера на ПЛИС.

Vkmusk 30.11.16 в 12:04

Некоторые "большие" приложения МКА требуют значительных объемов обработки данных и используют ПЛИС для реализации бортового компьютера. Для таких применений можно значительно снизить общую стоимость проекта, используя коммерческую ПЛИС под контролем радстойкого управляющего микроконтроллера. В том случае, если в ПЛИС произойдет вызванный радиацией сбой, микроконтроллер его парирует.

Vkmusk 26.11.16 в 16:28

Все компоненты системы спутника могут быть выведены из строя воздействием радиации. Преимущество использования радстойкой схемы в качестве командного модуля состоит в том, что она в состоянии следить за всеми подсистемами, проверять, что они работают нормально, и сбрасывать их в случае необходимости.

Vkmusk 26.11.16 в 17:01

В зависимости от задач миссии, полезная нагрузка спутника может быть очень разной, хотя обычно используемая модульная реализация таких систем, как система электропитания, модуль связи, бортовой компьютер и система навигации, подразумевает, что значительная часть электроники аппарата в любом случае будет похожей на другие спутники.

Vkmusk 26.11.16 в 17:12

Многие компоненты конструкции спутников CubeSat могут быть приобретены у коммерческих поставщиков. Модуль полезной нагрузки - подсистема спутника, которая реализует целевую задачу миссии, например научные эксперименты или сбор данных и фотографий. Обычно он включает датчики, исполнительные механизмы - и, возможно, еще один микроконтроллер для управления научной аппаратурой. Все остальные модули, кроме полезной нагрузки, нужны только для того, чтобы аппарат продолжал лететь.

Vkmusk 26.11.16 в 17:20

Плюсы и минусы использования коммерчески доступных технологий в CubeSat

Vkmusk 26.11.16 в 18:10

Всего можно выделить три основные причины, почему разработчики спутников CubeSat массово используют COTS-устройства. Первая причина заключается в том, что радстойкая аппаратура очень дорога и может "съесть" весь бюджет проекта. Выборочное использование относительно недорогих радиационностойких компонентов для управления, контроля и исправления сбоев позволит обеспечить выгодный компромисс между надежностью и стоимостью всей системы.

Vkmusk 26.11.16 в 18:15

Вторая причина кроется в том, что при проектировании малобюджетных спутников использование простых в использовании микроконтроллеров является очень привлекательным решением, потому что оно позволяет проектировщикам спутников работать в привычном окружении. Именно поэтому радстойкий микроконтроллер должен быть совместим с коммерческими аналогами по возможностям, архитектуре и программному обеспечению.

Vkmusk 26.11.16 в 18:23

Третья причина повсеместного использования коммереских компонентов заключается в том, что во многих проектах нет особой необходимости устанавливать радстойкие компоненты, ввиду того, что большинство спутников работает на НОО. Эта тенденция будет меняться со временем, в первую очередь, когда спутники CubeSat начнут летать на более высоких орбитах.

Vkmusk 26.11.16 в 18:28

COTS микроконтроллеры не способны выдержать высокую дозу накопленной радиации, которую они наберут за длительное время функционирования без защиты радиационных поясов Земли.

Vkmusk 26.11.16 в 18:32

CubeSat не могут решить эту проблему экранированием чувствительных компонентов, как традиционные "большие" аппараты. Накопление дозы радиации приводит к увеличению тока утечки, приводящему к более быстрой разрядке батареи и, в конечном счете, отключению устройства. И даже если срок службы аппарата достаточно короткий, чтобы не заботиться о полной дозе радиации, остаются другие факторы, которые необходимо учитывать.

Vkmusk 29.11.16 в 15:26

Радстойкий управляющий блок должен уметь определять, произошел в каком-т из блоков отказ из-за воздействия дозы излучения или, например, тиристорный эффект, который может быть парирован при помощи сброса питания. Если же перезапустить устройство или другим способом восстановить работоспособность аппарата не представляется возможным, то радстойкий управляющий блок должен взять на себя управление сведением кубсата с орбиты для предотвращения образования космического мусора.

Vkmusk 29.11.16 в 15:35

Уменьшение радиации для микроконтроллеров (Вот отсюда и до второй такой метки можно все выкинуть)

Vkmusk 29.11.16 в 15:36

Во время одиночного сбоя, вызванного единичным облучением заряженных частиц, происходят эффекты влияющие на ячейки памяти или статические триггеры - по сути, смена 0 на 1.

Vkmusk 29.11.16 в 15:39

Для смягчения влияния единичных сбоев, COTS-устройства оснащаются девайсами обнаружения и корректировки. Код корректировки ошибок памяти способен обнаружить неисправную ячейку памяти и откорректировать её.

Vkmusk 29.11.16 в 15:41

Микроконтроллер VA1020 ARM Cortex-M0 оснащен системой обнаружения и исправления неисправности по коду Хэмминга, основанного на решении, которое может обнаружить две ошибки и исправить одну за байт. Это означает, что может быть четыре "неисправных" бита на 32-битное слово, и микроконтроллер будет по-прежнему работать в нормальном режиме. Как слова выбираются с помощью процессора, EDAC автоматически выполняет обнаружение и коррекцию этих слов в процессе нормальной работы процессора.

Vkmusk 29.11.16 в 15:44

Однако существует риск, что удары заряженных частиц "перевернут" большое количество битов и ошибка не будет обнаружена.

Vkmusk 29.11.16 в 15:47

Цель "чистящего двигателя" заключается в предотвращении накопивления ошибок, что в свою очередь приходится важной частью общей стратегии предотвращения появления неисправных битов от влияния радиации. "Чистящий двигатель" работает независимо от системы ECC и будет работать в фоновом режиме регулярной активности процессора. Он периодически будет осматривать содержимое каждой ячейки памяти и исправить любые ошибки. Это предотвращает накопление ошибок и уменьшает вероятность двойных ошибок.

Vkmusk 29.11.16 в 15:52

Частота работы Ч.Д. может быть отрегулирована таким образом, что полная чистка памяти может реализовываться достаточно регулярно. Это будет эффективным решением в условиях излучения окружающего пространства. Рекомендуемый подход заключается в измерении количества ошибок, которые системы EDAC может обнаружить. Далее система использует эту информацию, чтобы регулировать скорость "чистки" для приемлемого уровня работы.

Vkmusk 29.11.16 в 15:58

Попадание заряженных частиц в область чипа из кремния является не менее существенной проблемой, чем влияние на ячейки памяти. Если ошибка зафиксируется, он может дальше распространяться по цепи. Наиболее распространен метод тройного резервирования, основанный на создании
дубликатов критических узлов схем. Общее значение выбирается схемой голосования на основании выходов этих элементов. Таким образом, воздействие излучения изменит состояние логического элемента, только если пострадает сразу несколько узлов. Чем больше избыточность, тем больше задействуется полезной площади кристалла и тем меньше вероятность возникновения SEU.

Вставил из той статьи.

Vkmusk 29.11.16 в 16:02

При рассмотрении всех воздействий, которые могут повлиять на устройства CMOS в радиационной среде, которая представляет из себя не только накопление дозы ионизирующего излучения; наиболее серьезным является защелкивание. Защелкивание считается наиболее серьезной проблемой, так как это может разрушить чип, а в лучшем случае, необходим сброс для восстановления.

Vkmusk 29.11.16 в 16:04

В условиях ионизирующего излучения включается паразитные транзисторы. На плате микросхем содержатся миллионы паразитных структур. Защелкивание происходит в момент прохождения сигнала через эти места.

Vkmusk 29.11.16 в 16:06

Заключение (заключение нам уже нужно)

Vkmusk 30.11.16 в 11:46

Новая волна разработчиков спутников Cubesat использует подход, в рамках которого преимущественное использование коммерческих компонентов сочетается с применением радстойких чипов для обеспечения надежности и безопасности системы. Это хороший компромисс для оптимизации затрат при одновременном повышении вероятности успеха миссии.

Vkmusk 29.11.16 в 16:09

Эти разработчики формируют новые ожидания к производителям микросхем для космических применений, которые должны быть не только подходящими для работы в условиях воздействия радиации, но и доступными по цене. И этот процесс в конце концов приведет к успеху CubeSat в миссиях, которые должны быть выполнены в сжатые сроки и с соблюдением бюджета.

Vkmusk 30.11.16 в 11:46