Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik Rybka Politechnika Warszawska,

1. ADAPTACJA UKŁADÓW COMMERCIAL OF-THE-SHELF W SYNTEZIE NIEZAWODNYCH SYSTEMÓW CYFROWYCH DLA APARATURY KOSMICZNEJ Andrzej Cichocki, inż. Rafał Graczyk, mgr inż. Dominik Rybka Politechnika Warszawska, Instytut Systemów Elektronicznych Studenckie Koło Inżynierii Kosmicznej Photonics and Web Engineering Research Group Studenckie Koło Astronautyczne

2. Plan Prezentacji • Podstawowe problemy budowy aparatury kosmicznej • Systemy cyfrowe segmentów kosmicznych systemów satelitarnych • Porównanie • Komponenty „Mil-Space” • Komponenty „COTS” • Dlaczego COTS? • Przykłady projektów • Podsumowanie

3. „Kosmiczne Problemy” • Promieniowanie kosmiczne • Zjawiska przejściowe (SEE) • TID • Temperatura • Odprowadzanie ciepła • Ogrzewanie • Drgania mechaniczne • Start rakiety • Ekstremalnie niskie ciśnienie • Gazowanie, parowanie • Mikrograwitacja

4. Promieniowanie kosmiczne • Zjawiska przejściowe • Single Event Latchup – efekty tyrystorowy (technologia CMOS) • Single Event Upset - przekłamania bitowe (pamięć SRAM) • Single Event Functional Interrupt (zmiana funkcjonalności FPGA) • Single Event Transient („glitch’e” i „peak’i” na liniach sygnałowych)

5. Promieniowanie kosmiczne • Zjawiska trwałe • Single Event Burnout – trwałe uszkodzenie układu scalonego • Single Event Gate Rapture – trwałe zwarcie bramki z kanałem (MOSFET) • Efekty długofalowe • Total Ionization Dose (pochłonięta dawka promieniowania) • Displacement Damage (degradacja półprzewodnika) • Zwiększony pobór mocy (CMOS)

6. Sprawy termiczne • Wahania i gradienty temperatur • Różne współczynniki rozszerzalności cieplnej • Zmniejszenie wytrzymałości materiałów • Odprowadzanie ciepła • Rezystancja termiczna obudowy układu scalonego • Duże częstotliwości taktowania układów cyfrowych VLSI • Zakresy temperatur • Trwałość układów scalonych • Niezawodność • Pobór mocy

7. Drgania mechaniczne • Start rakiety wynoszącej • Duża amplituda drgań w szerokim zakresie częstotliwości • Udary mechaniczne i akustyczne (pojedyncze milisekundy Ariane 5: 10000G na 3 kHz) • Przyspieszenia statyczne • Przyspieszenia dynamiczne

8. Niskie ciśnienie • Problemy związane z wysoką próżnią • Parowanie substancji (maska przeciwlutowna) • Bąbelki w paście lutowniczej i elementach elektronicznych i spoinach • Brak konwekcji • Naprężenia mechaniczne

9. Mikrograwitacja • Problemy związane z mikrograwitacją • Zmiana położenia okablowania przy rotacji • Mikrozwarcia

10. Systemy cyfrowe w aparaturze kosmicznej Komputery pokładowe Układy pamięci masowej Sterowanie modułów ładunków użytecznych Moduły komunikacji Moduły sterowania stabilizacją

11. Komponenty „Mil-Space” • Zalety • Specjalnie zaprojektowany do pracy w kosmosie • Wysoka niezawodność • Gwarancje producenta • Wady • Wysoka cena • Problemy z zakupem • Długi czas dostaw • Problemy z transferem technologii (ITAR)

12. Komponenty „COTS” • Zalety • Niska cena • Łatwość zakupu • Brak zobowiązań lojalnościowych wobec producenta • Łatwość użycia • Wady • Brak gwarancji producenta • Duże ograniczenia związane z jakością wykonania

13. Dlaczego „COTS”? • Projekty: • Niskobudżetowe • Amatorskie • Studenckie • o małych wymaganiach środowiskowych • Możliwość specjalnego wykorzystania, aby zapewnić niezawodność

14. Przykłady projektów – YES2 Niskobudżetowy projekt studencki Elementy „Mil-Space” tylko w krytycznych podzespołach Niska orbita okołoziemska Krótki czas trwania misji

15. Przykłady projektów – SSETI ESEO • Karta rozszerzeń komputera pokładowego • Specjalne zastosowanie pamięci FLASH • Pamięć typu NOR • Kodowanie korekcyjne i detekcja błędów • „Potrójny odczyt” • Odprężanie – specjalny sposób zasilania • Specjalne zastosowanie układu FPGA • TechnologiaFLASH • Redundancja trzymodułowa • Zabezpieczenie przed SEL • Ograniczenie nadprądowe

16. Przykłady projektów – PW-Sat • Niskobudżetowy projekt studencki • Całkowity brak elementów „Mil-Space” • Krótki czas trwania misji • Niska orbita okołoziemska • „Stara” technologia CMOS • Zabezpieczenia przed SEL • Zabezpieczenia programowe • Watchdog • Detekcja błędów (CRC) • Podwojone instrukcje weryfikujące

17. Przykłady projektów – PAS-Sat • Komputer pokładowy • Wykorzystanie FPGA • Technologia Antifuse • Wbudowane IP Core: • LEON3 • SpaceWire controller • CAN controller • Redundancja trzymodułowa • Dysk na ciele stałym • Matryca FLASH • EDAC (Turbokody)

18. Przykłady projektów – PAS-Sat • Zestaw dwóch FPGA (redundancja) • Specjalny sposób zasilania • Odprężanie • Zewnętrzne, wyższe napięcie programowania • Układ detekcji SEL • Zewnętrzny Watchdog sprzętowy

19. Podsumowanie Istnieje możliwość ograniczenia kosztów i czasu projektowania i budowy systemów cyfrowych na pokładzie satelitów Nierzadko projekty oparte na COTS dorównują funkcjonalnością i niezawodnością odpowiednikom „Mil-Space” ESA i NASA coraz częściej używają COTS w swoich projektach

20. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ • Kontakt: A.Cichocki@stud.elka.pw.edu.pl • Zapraszam do odwiedzenia stron internetowych: • www.ska.pw.edu.pl • www.skik.pw.edu.pl • www.sseti.net • www.yes2.info • www.pw-sat.pl