Микропроцессорное устройство управления наноспутником

443123, Россия, г.Самара, Московское шоссе, 34

E-mail: rfiz@rambler.ru
Целью работы является проектирование одной из подсистем наноспутника- бортового компьютера, главной задачей которого является сбор и передача на Землю информации об околоземном пространстве.
Изготовление и запуск малых и сверхмалых космических аппаратов в последнее десятилетие стало достаточно распространенным явлением благодаря достижениям микроэлектроники, информатики, массовому производству и доступности элементов космических систем. В настоящее время существуют несколько ведущих фирм-производителей, предлагающих как отдельное оборудование для сверхмалых спутников формата “CubeSat”, так и готовые решения для бортовых систем и спутника в целом. Базовая платформа формата CubeSat для сверхмалых спутников в зависимости от типа исполнения предлагается по следующим ценам: при разработке самостоятельно: €50000; интегрированный модуль и программное обеспечение (ПО): €75000, законченное решение модуля: €150000. Кроме того, существует ряд ограничений при продаже оборудования, которые накладывает Госдепартамент США. Покупка готового решения или интегрированного модуля с ПО – это приобретение «чёрного ящика» с ограниченными возможностями. Поэтому среди разработчиков сверхмалых космических аппаратов стала обычной практика проектировать модули на основе покупных коммерческих элементов [1].

Одним из главных преимуществ наноспутника является низкая стоимость проектирования его подсистем. В частности, снижение стоимости проектирования бортового компьютера, можно добиться использованием стандартной элементной базы и операционной системы с открытым исходным кодом.

Наиболее подходящей к этим параметрам является операционная система Android, разработанная для смартфонов и планшетных ПК. Открытый доступ к ядру операционной системы— это один из факторов, который способствует развитию программного обеспечения. Хотя платформа Android и предназначена для разработки под мобильные устройства, она обла­дает качествами полноценной операционной системы для локального компьютера, будь то одноплатный компьютер или бортовой компьютер наноспутника.

Спутник состоит из многих подсистем, каждая из которых выполняет свою собственную специализированную ­задачу. Первичная функция бортового компьютера, это облегчить связь между этими различными подсистемами­. Подсистемы обычно физически помещаются в различные модули и должны быть связаны надежной шиной данных, но поскольку в наноспутнике пространство часто - ограничивающий фактор, то некоторые из подсистем объединены непосредственно в бортовой компьютер. В этом случае, связи программного обеспечения между подсистемами заменяют физические связи, но подсистемы все еще обязаны независимо функционировать друг от друга.

Чтобы удовлетворить это требование, необходим мощный микропроцессор, способный к управлению многократными процессами одновременно. Управление процессами должно быть также изолировано друг от друга так, чтобы одна подсистема давшая сбой, не вызвала критическую ошибку других систем.

Из-за физически небольшого размера наноспутника (10см х10см х10см) многие из задач, которые обычно выполняются другими подсистемами, должны быть обработаны бортовым компьютером. У этих подсистем наиболее вероятно есть свои собственные аппаратные средства (например система ориентации), но основная обработка будет сделана в бортовом компьютере.

Прежде, чем выбрать аппаратные средства бортового компьютера наноспутника необходимо сформировать следующие требования.

1) Вычислительная мощность:

На бортовом компьютере должен стоять один микропроцессор с тактовой частотой не менее 900МГц и производительностью не менее 30 миллионов операций в секунду, способный выполнять сложные задачи.

2) Низкий расход энергии:

Необходимо выбирать компоненты, которые используются в различных переносных устройствах с батарейным питанием (сотовые телефоны).

3) Компоненты с низким питающим напряжением

Чтобы понизить расход энергии, необходимо выбирать компоненты с низким питающим напряжением 3,3 В, против традиционных 5 В компонентов.

4) Доступность компонентов:

Компоненты, используемые в бортовом компьютере, должны быть коммерчески доступными в течение, по крайней мере, следующих трех лет [1].

Вывести из строя микропроцессор может всего лишь одна частица радиации. Поэтому в бортовом компьютере следует использовать только проверенные архитектуры. Не каждое новшество можно запустить в открытый космос. К тому же там особенно актуальна проблема энергопотребления — а чем выше быстродействие, тем больше электричества нужно процессору.

Из-за доказанной надёжности и многофункциональности, выберем процессор с ядром ARM7, давно зарекомендовавший себя в космосе. При обзоре нескольких вариантов процессоров с ядром ARM, был выбран процессор AT91SAM7A2, наиболее подходящий по требованиям, сказанным выше. Данный процессор характеризуется высокопроизводительной 32-разрядной RISC-архитектурой и очень малым энергопотреблением. Кроме того, связанность многочисленных внутренних регистров в банки в результате позволяет ускорить обработку информации, что делает применение данного процессора идеальным в задачах управления в реальном масштабе времени. AT91SAM7A2 позволяет непосредственно подключиться к внешней памяти, в т.ч. флэш-память, через программируемый интерфейс внешней шины. Векторизованный контроллер прерываний с 8 уровнями приоритетов совместно с контроллером обмена данными с периферийными устройствами позволяют существенно повысить реально-временную производительность устройства. Процессор выпускается по высокоплотной технологии КМОП [2].

В общем, бортовой компьютер должен выполнять следующие задачи:

• 
  Обеспечивать информационный обмен между периферийными устройствами по низкоскоростной коммуникационной шине.
  
• 
  Обеспечивать передачу данных к полезной нагрузке по высокоскоростному коммуникационному интерфейсу
  
• 
  Обеспечивать выполнение общих задач обслуживания
  
• 
  Обеспечить возможность выполнения пользовательских процессов (вычисление ускорения, углов поворота и т.д.)
  

а) Включение полезной нагрузки, когда спутник входит в радио-окно и её выключение, когда спутник выходит из радио-окна.

б) Получение данных от полезной нагрузки, используя интерфейс RS232 и хранение их в бортовой памяти наноспутника.

в) Обработка и передача данных на Землю через подсистему передачи данных.

Дистанционное (с наземной станции) обновление бортовой памяти наноспутника.

2) Коммуникационная подсистема

а) Включение передатчика, когда спутник входит в радио-окно и выключение, когда спутник перемещается из радио-окна.

б) Поддержка приемопередатчика в режиме приёма, когда происходит приём команд с наземной станции

в) Отправка и получение команд между наземной станцией и бортовым компьютером через коммуникационную подсистему.

а) Выработка отношения рассогласования текущей позиции наноспутника с требуемой.

б) Отфильтрованный сигнал рассогласования подаётся на магнитные катушки для стабилизации наноспутника.

4) Подсистема подачи электроэнергии

а)Ток, напряжение и расход энергии каждой подсистемы известны и контролируются электронной системой питания.

б) Поддержание состояния наноспутника в режиме сна или режиме питания, в зависимости от уровнях мощности батарей.

в) Управление электронной системой питания с бортового компьютера [2].

В качестве программного обеспечения бортового компьютера, было создано Android-приложение для получения, накопления и отправки на ПК информации с датчиков движения написано на языке Java в среде Eclipse c ADT плагином. В работе задействовались датчики акселерометр и магнитный компас он вычисляет угол поворота системы координат устройства (связанной с устройством) относительно глобальной системы координат (связанной с Землёй).

Приложение позволяет определять ориентацию устройства в пространстве, его ускорение, и записывать все полученные данные в *.csv файл на SD карту, затем отправляя их на выделенный сервер по протоколу Wi-Fi. Для *.csv файла на SD карте необходимо около 100КБ свободного места. Также результаты можно передавать с помощью Bluetooth. Далее полученные данные можно обработать: определить перемещение, скорость и углы поворота устройства

Когда приложение запускается, оно заполняет экран кнопкой с надписью «Запуск», после этого можно проводить эксперименты с устройством, по окончании нажать на кнопку «Стоп». После этого, в специальную строку вводится E-mail адрес, на который следует отправить файл CSV с данными.

Список литературы