Vuonna 2016 ISS oli edelleen käynnissä Intel 80386SX 20 MHz -prosessoreilla, jotka olivat jo neljänneksen vuosisadan vanhoja. GLONASS-maastoasemat on varustettu Elbruksen ensimmäisellä versiolla. ”Pienessä tilassa” painopisteet ovat erilaiset: alhaiset kustannukset, nopea iteraatio ja CubeSatsin käyttö Raspberry Pi- ja Linux-säiliöissä. Miksi kaikki tapahtuu niin hitaasti Jos katsot avaruushanketta insinöörien ja johtajien silmien kautta, se ei muistuta startupia, vaan pikemminkin ydinvoimalaitoksen rakentamista. Ensimmäinen vaihe on määritellä tehtävän tavoitteet ja tavoitteet.Tässä muodostuu tärkein idea, tehtävät, budjetti ja määräajat.Tässä vaiheessa tutkitaan teknistä toteutettavuutta ja arvioidaan keskeisiä teknologioita, joita on kehitettävä tyhjästä avaruuden erityisolosuhteiden kannalta. Seuraavaksi tulee alustava suunnittelu. Tässä vaiheessa luodaan avaruusaluksen alustava ulkonäkö ja kehitetään teknisiä eritelmiä jatkokehitykseen. Ja tässä alkaa yksityiskohdat. Satelliitissa et voi vain ottaa ja korvata komponentteja, kuten tietokeskuksen palvelimessa. Ja et varmasti voi vain ottaa ja aloittaa uuden satelliitin käytön, jos vanhan kanssa menee jotain vikaa, kuten teemme gadgeteillämme. Kaikki, mitä insinöörit ovat valinneet, pysyy aluksella koko käyttöiän ajan. He olisivat voineet tehdä valintansa takaisin vuoden 2010 alussa, mutta laukaisu tapahtuu vasta nyt. Seuraava vaihe on yksityiskohtainen suunnittelu.Tässä vaiheessa suunnittelu, materiaalit ja ohjelmistot valmistellaan ottaen huomioon luotettavuusvaatimukset. Seuraavaksi tulee sertifiointi. Tämä on yksi hankkeen elinkaaren tiukimmista ja pitkistä vaiheista. On olemassa kansainvälinen standardi, DO-178C, joka on ”käytännesääntö” avaruus- ja ilmailuohjelmistojen kehittäjille. Tämän standardin mukaisesti mitään koodilinjaa ei voida virallisesti hyväksyä, ennen kuin on ehdottomasti todistettu, että järjestelmän jokainen elementti – epäselvimmästä ideasta mikroprosessorin koodiin – on jäljitetty, kuvattu ja testattu. Certification is a slow process: auditors check plans, tests, and documentation, right down to code coverage (in critical systems using the MC/DC method — Modified Condition/Decision Coverage). This process takes years and makes 7–10 years of preparation for launch the norm rather than the exception. Laite testataan mahdollisimman lähellä avaruudessa olevia olosuhteita – tyhjiö, matalat lämpötilat, tärinät ja säteily. Seuraavaksi tulee järjestelmän integrointi ja laukaisun valmistelu.Tähän sisältyy myös laitteen viimeinen sertifiointi ja auditoinnit, joita tarvitaan laitteen hyväksymiseen laukaisulle.Mutta se on tämä "byrokraattinen maraton", joka takaa, että satelliitti toimii ongelmitta 15-20 vuoden ajan säteilyolosuhteissa, lämpötilan vaihteluissa ja ilman korjausta. Tämän jälkeen laite otetaan käyttöön ja alkaa työskennellä avaruudessa. Tänä aikana viestintä säilyy, ohjelmistopäivitykset ladataan (merkittävillä rajoituksilla) ja kiertoradaparametreja seurataan ja säädetään. Kaikki tämä tehdään maanpäällisten asemien kautta, jossa on monivaiheinen todentaminen sen varmistamiseksi, että vahingossa oleva vika ei poista satoja miljoonia dollareita arvoista tehtävää. Teleskooppi onnettomuus Kuitenkin poikkeustapauksissa korjaukset ja muutokset ovat edelleen mahdollisia suoraan avaruudessa. Esimerkiksi vuonna 1990 Hubble-teleskooppi laukaistiin Maan kiertoradalle. Se lähetettiin planeettamme ulkopuolelle välttääkseen maan ilmakehän aiheuttamia vääristymiä tietojen keräämisessä. Muutaman viikon kuluttua laukaisusta kävi ilmi, että teleskoopin pääpeilillä oli pallomainen poikkeama - 2,2 mikronin muotoinen poikkeama (vähemmän kuin ihmisen hiusten paksuus). Vuonna 1993 tapahtui yksi miehitettyjen avaruuslentojen historian vaikeimmista korjausoperaatioista. Astronautit matkustivat Hubbleen ja asensivat COSTAR-järjestelmän, linssien joukon, joka kompensoi poikkeaman. Samaan aikaan he korvasivat pääkameran uudella, jo varustettuna sisäänrakennetulla korjauksella. Näin Hubble alkoi lopulta tuottaa selkeitä kuvia. Lähetyksen onnistumisen jälkeen NASA teki vielä neljä retkeä. Vuonna 1997 he korvasivat GHRS-spektrograafin tehokkaammalla STIS-spektrograafilla, jolla oli korkea herkkyys, ja lisäsivät myös NICMOSin, joka on nestemäisellä typellä jäähdytetty kamera infrapunamittauksiin. Vuonna 1999 he korvasivat kaikki kuusi gyroskooppia ja päivittivät päätietokoneen. Vuonna 2002 ACS-kamera asennettiin ja aurinkopaneelit korvattiin uusilla. Vuonna 2009 asennettiin WFC3-kamera ja korvattiin kaikki gyroskoopit ja elektroniset yksiköt. Ja silti, tämä tapaus on poikkeus. On tärkeää muistaa, että jos satelliitti ei ole samanlainen kuin Hubble hinnoissa ja tieteellisessä merkityksessä, kukaan ei lennä korjaamaan sitä. Muuten, teleskoopin käyttöikä on pidentynyt suunnitellusta 15 vuodesta yli 35 vuoteen päivitysten ansiosta. Mitä tapahtuu, jos avaruusalus jää liian kauan avaruuteen? Näiden vanhojen aikalaitteiden joukossa on Transit 5B-5, jonka Yhdysvallat käynnisti 21. joulukuuta 1964. Se toimii edelleen. Tarkemmin sanottuna se lähettää signaaleja - pääasiassa tieteellisiin ja testaustarkoituksiin. Tämä kone ensimmäisten navigointijärjestelmien aikakaudesta toimii radioaktiivisella isotoopilla plutonium-238, minkä vuoksi se on kiertänyt niin kauan. Laitteen elinkaaren lopussa laite joko lähetetään "hautausmaan kiertoradalle" tai lähetetään valvotusti merenpohjaan. Euroopan avaruusjärjestön (ESA) arvioiden mukaan päämme yläpuolella on yli 54 000 yli 10 senttimetrin suurta esineitä. Vuoden 2025 alkuun mennessä maapallon kiertoradalla oli noin 40 000 satelliittia, joista vain 11 000 on toiminnassa.Jos avaruusjätteiden tiheys kasvaa edelleen, se voi aiheuttaa Kesslerin vaikutuksen, mikä tekee avaruudesta lähes käyttämättömän.Jopa pieni hiekkarannoitus, joka lentää useita tuhansia tai kymmeniä tuhansia kilometrejä tunnissa, voi korjaamattomasti vahingoittaa Hubble-avaruusteleskooppia tai ISS:n elämän tukijärjestelmää. Se on esimerkki siitä, miten 1960-luvun yksinkertaisin elektroniikka, jolla on luotettava virtalähde ja vastustuskyky äärimmäisiin olosuhteisiin, voi toimia kiertoradalla monta kertaa pidempään kuin useimmat nykyaikaiset satelliitit. Tutkijat ovat vakavasti huolissaan roskista kiertoradalla.Se on puhdistettava, mutta missä? Currently, there is a secluded spot in the Pacific Ocean for this purpose — Point Nemo. It is located in the southern hemisphere, approximately 4,800 km from the coast of New Zealand and approximately 2,700 km from the nearest islands. This is the so-called “spaceship graveyard,” where debris from spacecraft that did not burn up in the atmosphere is sunk. At Point Nemo, the ocean is about 4 km deep, with low nutrient content and virtually no life. When the ISS reaches the end of its operational life, it will be brought into orbit over the ocean and sunk there. Tarkempia lukuja: aika alustavan suunnittelun alusta laukaisuun kestää yleensä 7-10 vuotta (Sentinel-1A: hyväksyntä - 2007, laukaisu - 2014), jota seuraa 15-20 vuotta (tai jopa enemmän) toimintaa, joka korreloi hyvin nykyisten ohjelmien kanssa NASA ja ESA. Tämä luo äärimmäisen paradoksaalisen tilanteen: avaruusalukset käyttävät viime vuosisadan tekniikkaa, mutta tämä strategia on se, mikä tekee avaruudesta luotettavan. Tämän seurauksena satelliitit, jotka on suunniteltu ja sertifioitu 1990-luvun standardien mukaisesti, tarjoavat edelleen viestintää, navigointia ja tieteellisiä tietoja vuosikymmeniä, kun taas maapallon laitteet on korvattu useita kertoja. Radio- ja lämmönkestävyys todistettujen standardien mukaan Avaruudessa käytettävien prosessoreiden ja tietokonejärjestelmien, erityisesti satelliiteissa ja planeettojen välisissä avaruusaluksissa, on oltava korkea säteily- ja lämmönkestävyys. perinteisessä kaupallisessa elektroniikassa nämä ominaisuudet katsotaan liiallisiksi, mutta avaruudessa ne ovat elintärkeitä. Ota legendaarinen BAE RAD750 -mikroprosessori, joka perustuu IBM PowerPC 750 -arkkitehtuuriin ja joka on kehitetty 250 nm: n (tai 150 nm: n) CMOS-tekniikalla. Se toimii taajuuksilla 110-200 MHz: stä, tarjoaa jopa 400 MIPS: n laskentatehoa ja kuluttaa noin 5 W: n (tai 10 W: n osana yhden lautajärjestelmää). Tämä saavutetaan erityisellä kristallisuunnittelulla, eristyksellä ja tiedon uudelleenkoodauksella sekä huolellisella komponenttien valinnalla ja testauksella kosmisen säteilyn altistumiselle olosuhteissa, jotka ovat lähellä todellisia tehtäviä.RAD750:ää käytetään satelliitti- ja planeettojen välisissä laukaisujärjestelmissä, kuten Curiosity- ja Perseverance-roverissa, sekä teleskoopeissa. Neuvostoliitossa yksi ensimmäisistä Neuvostoliiton laivassa olevista tietokoneista oli Argon-11S. Se oli maailman ensimmäinen avaruuskäyttöön tarkoitettu tietokone, jolla oli kolminkertainen laitteiston redundanssi ja joka ohjasi automaattisesti avaruuslentoa Zond-ohjelman mukaan (lento Kuun ympäri laskeutumismoduulin paluulla Maahan). Näiden Neuvostoliiton ja Venäjän järjestelmien erityispiirre on se, että ne kehitettiin konservatiivisempien teknologisten standardien mukaisesti käyttämällä vähemmän tiheitä teknologisia prosesseja - esimerkiksi 0,18 μm. Tämä lisää niiden vastustuskykyä säteilylle ja vähentää epäonnistumisen riskiä. RTOS ja kielet Jos kaikki on niin monimutkaista, onko todella mahdollista lähettää Windowsia tai Linuxia käyttävä tietokone/palvelin avaruuteen? Teoriassa kyllä, mutta yleensä tällaiset tehtävät edellyttävät RTOS-käyttöjärjestelmää, joka takaa kriittisten toimintojen suorittamisen ilman pienintä epäonnistumista tai viivytystä. VxWorks, jonka on kehittänyt Wind River, on kaupallinen RTOS, jolla on korkea luotettavuus ja lukuisat ominaisuudet. Se tukee monitoimintaa prioriteettien ennaltaehkäisyllä ja tarjoaa vähäiset reagointiajat. OS:ää käyttää NASA sekä eurooppalaisissa ja amerikkalaisissa satelliiteissa ja tieteellisissä instrumenteissa. VxWorksilla on modulaarinen arkkitehtuuri ja se on sertifioitu ilmailun ja avaruuden turvallisuusstandardeille. Avoimen lähdekoodin vaihtoehto on RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). Se kehitettiin alun perin Yhdysvaltain armeijan ohjusjärjestelmien hallintaan ja myöhemmin mukautettiin moniprosessorin arkkitehtuureihin. Euroopan avaruusjärjestö käyttää aktiivisesti RTEMS:ää, koska se on helposti siirrettävissä eri laitteistoalustoille, mukaan lukien säteilyvastainen SPARC LEON-prosessoriperhe, jota käytetään laajalti eurooppalaisissa tehtävissä. RTEMS:llä on joustavampi tehtävien ajoitusjärjestelmä ja se mahdollistaa komponenttien muutokset. OS on läpäissyt tiukat testit ja se on saanut luotettavuustason "B" ESA:n luokituksen mukaan, mikä osoittaa sen soveltuvuuden kriittisiin avaruusjärjestelmiin. There is also Ada95, a programming language created in the US in 1980 for critical software in real-time systems. Like the RTEMS operating system, it was originally a military development that was adapted for scientific tasks. Ada95 is used in aviation and space due to its strict typing, support for parallelism, runtime array boundary checks, and exception handling. Erikoistunut ohjelmisto nimeltä "C" tarjoaa matalan tason hallinnan vastausajasta ja muistista, joten turvallisuushankkeissa se on rajoitettu profiileilla, kuten MISRA C: llä, ja sitä täydentää tiukka staattinen analyysi. For certified real-time, there is the Ravenscar profile, which cuts tasks down to an analyzable subset. SPARK, a subset of Ada compatible with DO-178C/DO-333 requirements, is used for formal verification. In practice, these tools significantly reduce the amount of verification and operational risks in large projects, from fly-by-wire systems such as the Boeing 777 to ESA avionics. CubeSat ja COTS Revolution Tämä johtuu osittain CubeSatsin aiheuttamasta vallankumouksesta.Nämä satelliitit ovat hieman suurempia kuin Rubikin kuutio, mittaavat 10×10×10 cm ja painavat enintään 1,33 kg. Pienen koon ja modulaarisuuden ansiosta CubeSats yksinkertaistaa ja vähentää avaruuslaitteiden luomisen ja laukaisemisen kustannuksia.Tämä avaa uusia mahdollisuuksia yrityksille ja tutkijoille. Esimerkiksi kaupallisten ja tieteellisten tehtävien käynnistämiseen alhaisemmilla kustannuksilla, mukaan lukien viestintä, etävalvonta, IoT ja kokeet matalalla maapallon kiertoradalla. CubeSats on tullut yksi liikkeellepaneva joukko demokratisointi avaruuteen pääsyä ja kehitystä nykyaikaisen avaruusteollisuuden. Tämä tapahtuu muun muassa ansiosta käynnistämisestä sarja laitteita käyttämällä kaupallisesti saatavilla laitteita (COTS). Tämä lähestymistapa mahdollistaa nopean luomisen modulaarisia ja edullisia satelliitteja tieteellisiin, kaupallisiin ja teollisiin tehtäviin.
