Matalan kiertoradan eli ns. LEO-satelliitit (Low earth orbit) ovat tulleet kaupallisesti mielenkiintoisiksi alhaisen latenssin ja suuren kapasiteetin laajakaistapalvelujen tarjoamisessa, sekä esimerkiksi M2M-tietoliikenteessä ja kuvantamisessa. 180-2000 kilometrin etäisyydellä maanpinnasta liitävät LEO-satelliitti ovat suhteellisen edullisia verrattuna 12000-36000 kilometrin korkeudessa kulkevia MEO-satelliitteihin (mid-earth orbit) tai geostationaarisella radalle kulkeviin satelliitteihin. Lisäksi ne toimivat pienemmällä RF-teholla.
Kaupalliset paineet puristavat nyt satelliitin materiaalikuluja ohuemmiksi samalla kun toimintakustannuksia kutistetaan ja luotettavuutta yritetään parantaa. Säteilyn kestävät analogia-sekasignaalipiirit yhdessä säteilyn kestävien FPGA-piirien kanssa, joihin on integroitu avoin RISC-V-prosessoriarkkitehtuuri, auttavat suunnittelijoita vastaamaan näihin tavoitteisiin.
Telemetriapiiristö pienemmäksi
Tyypillisessä LEO-satelliitissa telemetriapiiristö voi viedä merkittävästi tilaa ja kuluttaa merkittävän osa kokonaistehosta. Sitä käytetään paitsi satelliitin kunnon monitorointiin ja virheentunnistukseen, myös prosessoimaan maa-asemalta tulevia eristys- ja palautuskäskyjä, ja ohjaamaan satelliitin kokonaistehonkulutusta ja lämmöntuottoa.
Telemetriakortit, joita joskus kutsutaan I/O-korteiksi, sisältävät suuren määrän analogiamultipleksereitä, AD-muuntimia, virta-ajureita ja jännitereferenssejä esimerkiksi jännitetasojen, virrankulutuksen, lämpötilan, mekaanisen rasituksen, paineen ja magneettikenttien vahvuuden mittaamiseen, joita tarvitaan laitteiston terveyden monitorointiin. Piirit voivat viedä jopa 180 neliötuumaa eli reilut 1100 neliösenttiä arvokasta alaa satelliitista. Monimutkainen laitteisto kuten esimerkiksi digitaalinen tietoliikennepiirit tai tutkan kuvantaminen tai signaalinprosessointijärjestelmät voivat vaatia useita tällaisia kortteja telemetriakäyttöön. Ne kuluttavat tehoa, tuottavat lämpöä ja kasvattavat laitteiston materiaalikustannuksia merkittävästi. Lisäksi tyypilliset I/O-kortit sisältävät erillispiirejä, joilla on toteutettu kiinteitä toimintoja, joita on vaikeaa ja kallista päivittää tai muokata.
Tässä kohtaa kuvaan astuu Microchipin LX7730-telemetriaohjain, joka on alusta asti suunniteltu kestämään säteilyä. Se käyttää edistynyttä, pitkälle vietyä integraatiota yhdistämään toiminnot kuten multiplekserit, vahvistimet, sekä AD- ja DA-muuntimet yhdellä sirulla, ja on suunniteltu toimimaan isäntä-FPGA:n kumppanina. Kompaktiin 132-nastaiseen keraamiseen QFP-koteloon (quad flat package) koteloituna piiri on QML-kvalifioitu sekä Class Q- että Class V -vaatimuksiin.
Isäntäprosessorin resurssien säästäminen
Voimme mennä vieläkin pidemmälle hyödyntämällä uusinta RISC-V-käskykantaa, jonka ansiosta kumppanina toimivan FPGA:n ohjelmistopohjainen CPU-prosessori voi suorittaa telemetrialähteen paikallista laskentaa. FPGA:n ja telemetriaohjaimen yhdistelmä voidaan toteuttaa kustannustehokkaasti jokaisessa laitteistossa suorittamaan datankeruuta, järjestelmän kunnon monitorointia ja laitteiston ohjaustehtäviä itsenäisesti, ja lähettämään yksinkertaisia tilapäivityksiä satelliitin keskustietokoneelle komentoväyläprotokollilla kuten MIL-STD-1553, SpaceWire, CAN-väylä tai jokin asiakaskohtainen protokolla. Tämä vapauttaa satelliitin pääprosessorin muihin tehtäviin.
Uusi ”kuuden anturin demo” kokoaa tämän kaiken yhteen näyttäen, miten LEO-satelliitit voivat laskea telemetriatiedot tehokkaammin yhdistämällä LX7730-telemetriaohjaimen säteilyä kestävään RTG4-FPGA-piirille, jolla on ohjelmistopohjainen RISC-V-prosessoriydin. Piirit työskentelevät yhdessä kerätäkseen dataa anturien verkosta ja näyttääkseen mittausarvot graafisesti kannettavan tietokoneen näytöllä.
Tämä demo kuvaa erinomaisesti, miten I/O-tehtävät voidaan yksinkertaistaa ja isäntäprosessorin kellojaksoja säästää samalla, kun pitkälle viety sekasignaaliosien integrointi pienentää datankeruujärjestelmän kokoa ja painoa samaan aikaan kun sen luotettavuus paranee. Nämä ovat kriittisiä vaatimuksia LEO-satelliittijärjestelmien menestyksekkäälle kaupallistamiselle.
Artikkelin kirjoittaja Dorian Johnson vastaa High-Reliability -tuotteiden markkinoinnista Microchip Technologyssä.
Teknologia19 – Aalto-yliopiston kyberturvallisuusprofessori Jarno Limnéll uskoo, että luotettavuudesta voi tulla suomalaisten yritysten suurin myyntivaltti tulevaisuudessa. – Tärkein kysymys on tulevaisuudessa, kehen ja mihin voimme luottaa. Luottamuksesta on tulossa hyvin arvokas aineeton pääoma yrityksille, Limnéll sanoi eilen messukeskuksessa.
