Programul de Cercetare-Dezvoltare-Inovare pentru Tehnologie Spaţială şi Cercetare Avansată – STAR

Proiect ID:278

Simulator pentru fluxuri de date la bord

Etapa 1: Definirea cerintelor

Acest proiect işi propune sa dezvolte, implementeze si sa testeze un pachet de programe care sa simuleze fluxul de date ştiinţifice precum si cele de control si comandă pentru un instrument ştiinţific îmbarcat generic care funcţionează in domeniul infrarosu. Ca punct de referinţa, se considera instrumentul NISP (Near Infrared Spectro-Photometer) al misiuni spatiale Euclid, misiune ESA ce urmează a fi lansată in spaţiu in anul 2019 si care işi propune sa studieze sectorul obscur al Universului. In acest scop, Euclid va utiliza date ştiinţifice obţinute de la doua instrumente, unul in domeniu vizibil si celălalt in domeniul infraroşu, folosind un telescop de tip Korsch cu diametru de 1.2m.

În figura 1, prezentăm principalele componente ale conceptului ODAS (On-Board DAta flow Simulator), produs care va rula pe o Unitate de Procesare a Datelor (DPU - Data Processing Unit) emulata de procesorul pe 32 de biti Leon3.

Fig. 1 Diagram fluxului de date ODAS

Simulatorul instrumentului generic IR va transmite date ştiinţifice simulate cât ?i date de control (HK – housekeeping), unită?ii DPU ?i va receptiona ?i executa telecomenzi (TC) primite de la unitatea centrala ODAS.

Simulatorul modulului SVM (Service Module) al navei cosmice (S/C Spacecraft) are doua componente. Unitătea de Control a Instrumentului (ICU - Instrument Control Unit), responsabila cu transmiterea telecomenzilor ?i gestionarea datelor HK ?i Unitatea de Memorie (MMU - Mass Memory Unit) unde sunt stocate pachetele de date ştiinţifice comprimate.

În continuare, în figura 2, prezentam o diagrama a configuraţiei hardware a conceptului ODAS ?i explicam componente ?i modul lor de interacţie.

Fig. 2 Diagrama configuraţiei hardware ODAS

Pentru realizarea sistemului se vor folosi doua PC-uri, fiecare având o interfaţa Space Wire cu doua porturi independente. Pe primul PC, va rula simulatorul instrumentului generic IR. Datele ştiinţifice vor fi transmise pe un port SW către placa de dezvoltare GR712RC iar comenzile si datele de tip HK specifice instrumentului vor fi transmise si receptionate pe un alt port SW independent de primul.

Pentru simularea unitaţii DPU (Data Processing Unit) se foloseste placa de dezvoltare GR712RC produsa de Aeroflex Gaisler si achiziţionata deja de laboratorul nostrul dintr-un proiect naţional. Această placă, foloseste procesorul de 32 de bits Leon3, care va fi folosit de ESA pentru misiunile spaţiale Euclid şi Athena XMS.

Unitatea DPU trebuie sa indeplineasca urmatoarele functii:

·Recepţia blocurilor de date ştiinţifice la intrarea portului SW al plăcii de dezvoltare GR712RC

·Recepţia telecomenzilor(TC) si a datelor de stare (HK) al instrumentului, la o alta intrarea SW a plăci GR712RC.

·Decodarea datelor TC/HK si asigurarea comunicari dintre simulatorul instrumentului si simulatorul SVM-ului.

·Procesare datelor ştiinţifice: eliminarea pedestalului datorat conversiei analog digitale, corecţia defectelor de pixeli, etc.

·Compresia de tip lossless a datelor ştiinţifice.

·Formatarea blocurilor de date in pachete, folosind standardele ESA si ECSS.

·Transmisia pachetelor comprimate pe port SW catre simulatorul SVM-ului

·Transmisia telecomenzilor(TC) si a datelor de stare (HK) pe port SW către simulatorul SVM-ului.

Al doilea PC, va fi gazda simulatorului SVM si va primi printr-un port al interfetei SW, pachetele de date ştiinţifice comprimate care vor fi stocate in zona MMU, iar printr-un al doilea port SW, datele de TC/HK care vor fi disponibile la intrarea simulatorului ICU parte integrată in SVM.

Datele ştiinţifice vor fi simulate folosind reteaua GRID din cadrul institutului având ca referinţă instrumentul NISP al misiuni Euclid, care operează in domeniul infraroşu apropiat. Achiziţia de date va avea loc la un interval de 933 secunde si este structurata in patru etape consecutive: o înregistrare spectroscopică in banda de 1100-2000 nm, urmată de trei secvenţe de achiziţii fotometrice in intervalele spectrale Y (939-1146 nm), J (1146-1372 nm) si H (1372-2000 nm). Secvenţa in timp a etapelor de achiziţie este urmatoarea: prima achiziţie dureaza 565 de secunde, a doua 121, urmată de a treia cu 116 si ultima, care durează 81 de secunde. Între etapele de achiziţie a datelor este prevazuta o perioadă de 10 secunde (20 in cazul măsuratorii spectroscopice) necesara stabilizării instrumentului dupa operaţia de schimbare a modului de operare.

Achiziţia datelor ştiinţifice de catre instrumentul NISP se face folosind o matrice de 16 detectori de tip HgCdTc, fiecare avand o rezoluţie de 2000 x 2000 pixeli. Pentru o etapa de achiziţie, semnalul de la 16 x 4 x 10⁶ pixeli este convertit cu o rezoluţie de 16 biţi in semnal digital, rezultand un bloc de date ştiinţifice cu dimensiunea de 64 x 10⁶ x 16 biti = 1026 Mbiti = 128 MB.

Acest bloc de date in faţa caruia se adauga un preambul cu informaţii specifice masuratorii, va ajunge prin intermediul interfeţei Space Wire la intrarea modului DCU, unde dupa aplicarea anumitor corecţii si substragerea pedestalului, va fi comprimat folosind algoritmul de tip “lossless”. Acest tip de compresie elimină redundanţa din informaţie fară ca acuratetea si integritatea ei sa fie pierdută. După decomprimare, continutul original al informaţie este reconstituit. Algoritmii de comprimare si decomprimare care vor fi implementaţi vor respecta metodologia standard a Comitetului Consultativ pentru Sisteme de Date Spaţiale [1].

Pachetul de programe care asigura functionalitatea sistemului ODAS, va fi scris in limbajul C/C++ si va rula pe procesorul Leon3 avand ca mediu de executie, sistemul de operare RTEMS . Acest sistem de operare de tip 'real time', este conceput in special, pentru sistemele in care executia in siguranta a operatiilor necesare intr-un interval de timp bine definit este o certitudine. Este un sistem de operare cu licenta de tip 'open source', folosit in misiunile ESA, deoarece asigura o buna sincronizare a diverselor operatii ale instrumentelor.

Programele vor fi compilate pe un PC, folosind compilatoare RTEMS/C. Fisierul executabil va fi incarcat in memorie procesorului Leon3 folosind o conexiune de tip JTAG intre PC si placa de dezvoltare GR712RC. Se va folosi programul GRMON, dezvoltat de firma Gaisler care faciliteaza transferul cat si procesul de depanare a executabilelor. Folosind un terminal Grmon, se poate redirectiona outputul programului testat spre calculatorul sursa, putandu-se astfel testa intr-un mod eficient buna functionare a simulatorului.

In continuare, prezentam caracteristicile principalelor componente hardware folosite de simulatorul ODAS (On-Board DAta flow Simulator). Placa de dezvoltare GR712RC are urmatoarele caracteristici [3]:

·Procesor LEON3-FT SPARC V8, dual-core pe 32 de biţi.

·128MB memorie de tip SDRAM, 8MB memorie de tip SRAM, 8MB memorie de tip FLASH

·Circuite de tip power, reset, clock si auxiliare

·Interfaţa debug/download de tip JTAG

·6 interfeţe de tip SpaceWire

·interfaţa Ethernet 10/100 Mbps RMII

·2 interfeţe de tip MIL-STD-1553

·2 interfete de tip master SPI si I2C

Mai jos prezentăm în figura 3, diagram bloc a placii de dezvoltare GR712RC.

Fig. 3 Diagrama bloc a placii GR712RC

O altă componentă hardware folosită in configuraţia simulatorului este interfaţa PCIe SpaceWire produsa de firma STAR-Dundee. Aceasta are urmatoarele caracteristici [4]

·viteza maximă de transmisie 300Mbiti/s

·comunicare bidirectională simultana

·3 porturi Space Wire independente

·interfata API programabilă în limbajul C.

În acest raport, s-a detaliat descrierea conceptului ODAS, prezentandu-se principalele componente. Urmarind o diagrama a configuraţiei hardware s-au descris principalele funcţii ale sistemului ODAS, prezentându-se structura si secvenţele achiziţiei datelor de intrare precum si a celor de ieşire. De asemenea, am prezentat principalele caracteristici ale sistemului hardware precum si a componentelor software care urmeaza a fi utilizate pentru realizarea obiectivului proiectului.

Bibliografie:

1) CCSDS123.0-B-1 (Recomanded Standard Lossless Multispectral & Hiperspectral Image Compression) of The Consultative Commitee for Space Data Systems.

2) NISP Instrument Operation Concept Document, EUCLID-IIO-NPS-PL-077 (internal)

3) GR712RC development board product sheet

4) Star-Dundee SpaceWire PCIe product sheet