Az űridőjárás vizsgálata

Magyar fejlesztésű űrkutatási fedélzeti számítógép a Nemzetközi Űrállomáson

2014. július 13., vasárnap, 14:41

Címkék: IT MTA Wigner Kutatóközpont nemzetközi űrállomás szenzortechnika űrkutatás

Az űrkutatás eredményei (például űrtávközlés, GPS-helymeghatározás) a mindennapi életünk részeivé váltak, amire minden okostelefon is képes: világűrből végzett Föld-megfigyelések, a mezőgazdaság termékbecslése, stb. Magyarország gazdasági lehetőségei miatt az űrtevékenységbe nemzetközi együttműködések keretén belül képes bekapcsolódni. Az orosz űrkutatással kooperálva az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, Részecske és Magfizikai Intézet részt vesz az Obsztanovka (környezet) projektben, aminek a célja a Föld körüli pályán az „űridőjárás” vizsgálata. A projektcsoport feladata egy fedélzeti számítógép fejlesztése volt, amit sikeresen megoldottak. Az általuk fejlesztett számítógép már több mint egy éve működik.

 
Az űridőjárás a Föld körüli térség állapotát jelenti, amit alapvetően a Nap tevékenysége befolyásol, és hatással van az űrben keringő eszközök működésére, a repülésre és extrém naptevékenység esetében a földi technikai berendezésekre is. Az űrkutatásban a fejlesztések indulásakor a megoldandó feladaton kívül a projektet irányító űrügynökség technikai előírásait is meg kell ismerni. Ez kiterjed a várható mechanikai (rázás, vibráció) és hőmérsékleti  igénybevételre, tartalmazza a fedélzeti elektromos interfészfelületek specifikációit, a fedélzeti energiaellátó-rendszer paramétereit (amelyen számos esetben több kísérletnek kell osztozni), a várható ionizációs sugárterhelés értékeit, az alkatrészválasztás szempontjait és számos egyéb paramétert. A súlynak és a méretnek az engedélyezett határértékeken belül kell maradni.
 
 

A fejlesztési feladat

  • 11, az űridőjárás paramétereit mérő műszer vezérlése;
  • a mért jelek fogadása, tárolása;
  • előfeldolgozás alapján a szenzorok üzemmódjainak váltása (például gyorsabb mintavételre átkapcsolás);
  • fedélzeti telemetriacsatornákon Földről érkező utasítások fogadása és végrehajtása;
  • a 11 műszer energiaellátásának vezérlése, ki/bekapcsolása;
  • a mért adatok lejuttatása a Földre.
 
A berendezés a Nemzetközi Űrállomásra került, mintegy 420 km körüli magasságban keringve 51oC-os inklinációjú pályán, ahol az ionizációs dózisterhelés a földinek mintegy tízszerese, de ez az alkatrészek nagy többségénél nem jelent kritikus szintet más pályákhoz képest. A pálya veszélyes szakasza a dél-atlanti anomália térsége, ahol gyengébb a magnetoszféra védőhatása, és a napkitörések esetén ebbe a térségbe jelentős számban lejuthatnak nagyenergiájú részecskék, amelyek a félvezetőkben átmeneti vagy tartós hibát okozhatnak. 
 
Az Obsztanovka berendezés három fedélzeti számítógépe.
A középső egység tartalmazza a HDD-ét, ez az űrállomás belső terében működik.
A másik két egység a világűrben vezérli a mérőműszereket
 
A 11 műszer elhelyezését két konténerben, az űrállomás két oldalán, kívül, a világűrben tervezték. A feladatot elemezve a számításteljesítmény-igények megfelelő szintű ellátása és a két konténer elektromos elválasztása miatt döntöttük el, hogy mindkét konténerbe önálló processzorkártyát helyezünk el, és a fedélzeti rendszerekhez (tápellátás, több telemetriarendszer) is önálló processzorral kapcsolódunk. A két mérőágban működő műszerek a zajok, zavarok csökkentése érdekében külön-külön DC/DC leválasztott táplálást kapnak. Közös vezérlőprocesszor a két mérőág között zavaró jeleket vihetne át. A  megbízhatóságot is növeli a több processzor alkalmazása, mivel az egyik mérőág meghibásodása a másik működését nem befolyásolja. Így jött létre a három processzort tartalmazó elosztott intelligenciájú architektúra elképzelése. 
 
Az Obsztanovka blokkvázlata
 
A fejlesztés során – mivel az egyes szenzorok, illetve a fedélzeti rendszerek interfészei egyedi illesztőkártyák fejlesztését igényelték – modulárisan bővíthető rendszert, az ipari alkalmazásokban elterjedt PC/104-et választottuk. A kártyák mérete 95,9x90,2 mm, a tömege kicsi, 100–120 gramm közötti. Mivel számos gyártó van jelen a piacon PC/104 processzorkártyával, amelyek fogyasztása néhány Watt, a fejlesztési időt csökkentve, a piacon elérhető ipari kivitelű kártyák közül választottunk processzorkártyát. A szenzorok és a fedélzeti rendszerek interfészkártyáinak a fejlesztése volt a feladatunk, amelyen belül számtalan egyedi felületinterfészt illesztettünk a rendszerhez. A fejlesztés során az egyes alkatrészeken disszipált hő elvezetéséről gondoskodni kell, mivel a világűrben működő egységeknél konvekciós hőelvezetés nincs. A hűtőrendszer az egyes alkatrészek felületéről mechanikusan érintkező, elektromosan szigetelt hővezetőrudakkal vezeti el a hőt a szabályozott hőmérsékletű konténer falába. A tesztelés során termovákuumkamrában és mechanikai rázópadon végeztük a berendezés megfelelő igényvételi tesztjeit. A szenzorok és a fedélzeti rendszerek szimulálására alkalmas földi ellenőrző-berendezést a hazai SGF Kft. fejlesztette. Az operációs rendszer kiválasztásánál valós idejű Linux mellett döntöttünk, mivel a szenzorok vezérlése és az adatok fogadása időkritikus. A SuSE 8.1 választottuk ki, amelyet real time kernellel egészítettünk ki, a www.kernel.org oldalról letöltve a kernel forráskódját. Az eljárást az FSMLabs készítette (információ a www.fsmlabs.com honlapon). A következő feladat a legszükségesebb rendszerkomponensek kiválogatása volt, mivel a processzorokban korlátozott SSD diszkkapacitás állt rendelkezésre. A mérési adatok kódolásánál a CCSDS szervezet űrkutatási adatok kódolására széleskörűen alkalmazott ajánlását követtük, amely meghatározza az adatformátumot. A mérési adatokat az űrállomáson belüli számítógép 200 GB-os hard diskjén tároljuk a pontos idő kódjával, hogy az idő- és pályaadatok összevetésével a földi feldolgozás során a mérés helyét meghatározhassuk. Folyamatosan a fedélzeti nagypontosságú időalaphoz szinkronizáljuk a mi számítógépeink óráit. A mért értékek pontos helymeghatározását az a kutatási feladat is indokolja, ami a földrengések helye és a világűrben mérhető fizikai jellemzők között összefüggést keres. A hard disken történő tárolás során az egyes szenzorokhoz allokált, naponta fogadható adatmennyiség területét naponta változtatjuk, az egyes szenzoroktól érkezett adatmennyiség nagysága alapján újraosztva az egyes műszerekhez rendelt napi 100 MB-os területet. A nemzetközi űrállomásról a mérési adatokat két különböző adatcsatornán küldik le a földre. A központi telemetriacsatorna kapacitása korlátozott, és ezen az űrhajó működésével kapcsolatos alapvető adatokat, az űrhajósok egészségi állapotának monitorozásából származóakat és más kísérletek által előállítottakat is továbbítják, így az Obsztanovka-kísérlettől érkező mérési adatoknak csak kis része küldhető le a központi telemetriacsatornán földi parancsra. A kísérlet használja a BITS nevű csatornát, de ennek a láthatósága korlátozott, mivel a földi vevőállomások Oroszország területén találhatóak, másfél óránként kb. 15 perc a láthatóság. Az adatátvitel minősége ez alatt sem folyamatosan jó minőségű. A láthatóság alatt az űrhajó az északi vagy a déli félteke felett repül. Az északi feletti repülés alatt jó minőségű adatátvitel 5,5–6 percnyi időtartamig, a déli félteke feletti repülés alatt pedig 3,5–4 percig áll fent. A láthatóság kezdetén és végén a BITS csatornán az adatátvitel minősége romlik, ami hibákat eredményez az adatokban. A telemetriacsatornákon leérkező adatokat folyamatosan kiértékelik a projektben résztvevő kutatók. Az adatátviteli csatornák korlátozott kapacitása miatt cserélhető HDD-n az űrhajósok hoznak le egy hosszabb időszak alatt mért adatokat. Az első HDD-csere megtörtént, és május végén hordozókonténerben sikeresen leérkeztek a Földre az első évben tárolt mérési adatok.
 
Nagy János Zoltán
nagy.janos@wigner.mta.hu
Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek