Laurens Bierens heeft meer dan twintig jaar ervaring in de ontwikkeling van embedded systeem en elektronica voor de defensiesector en de lucht- en ruimtevaart. Hij was medeoprichter en CTO van Eonic, dat in 2010 in handen kwam van SSBV. Bij dit Noordwijkse bedrijf is hij nu manager van het engineeringteam, een functie die hij combineert met de verantwoordelijkheid voor militaire en ruimtevaartprogramma‘s en productontwikkeling in die segmenten.

27 December 2012

De ontwikkeling van embedded systemen voor ruimtevaarttoepassingen heeft haar eigen dynamiek en uitdagingen. Laurens Bierens, voorheen Eonic en nu SSBV, licht dit toe aan de hand van een aantal Nederlandse voorbeelden.

Embedded systemen spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven: ze zijn terug te vinden in onder meer mobieltjes, auto‘s, vliegtuigen, kantoorgebouwen en industriële installaties. Wat veel mensen niet weten, is dat de technologie veelal haar wortels heeft in de ruimtevaart. Zo was de Apollo Guidance Computer, ontwikkeld door Charles Stark Draper aan het MIT, een van de eerste embedded systemen. Over de rol en de functies van hardware en software in de ruimtevaart is bij de meeste buitenstaanders al helemaal weinig bekend.

Vergeleken met hun aardse equivalenten moeten embedded systemen – en micro-elektronica in het algemeen – in de ruimtevaart een veel hoger stralingsniveau kunnen weerstaan. De ontwikkelaars ervan moeten speciale maatregelen nemen om de stralingsgevoeligheid van hun producten te beperken. De extra ontwikkel- en testinspanningen die dit met zich meebrengt, zijn uitgebreid maar noodzakelijk om stralingsbestendige fouttolerante componenten te produceren. Dit maakt dat ruimtewaardige onderdelen over het algemeen zeer kostbaar zijn en technologisch achterlopen bij hun commerciële tegenhangers.

OPDP

De ontwikkeling van embedded systemen voor ruimtevaarttoepassingen heeft haar eigen dynamiek en uitdagingen. Esa heeft in het verleden bijvoorbeeld de aanzet gegeven tot de Leon-processorarchitectuur, met als doel een open en overdraagbaar processorontwerp te creëren dat aan toekomstige ruimtevaarteisen kan voldoen op het gebied van performance, softwarecompatibiliteit en betaalbaarheid. Tegenwoordig zijn de Leon-cores en -processoren commercieel verkrijgbaar in moderne chiptechnologie. Daarnaast zijn er foutbestendige versies beschikbaar voor toepassingen in de ruimtevaart.

Een ander voorbeeld is het gebruik van geavanceerde geheugenchips. In plaats van high-end technologie zoals DDR-SDRam ruimtewaardig te maken, heeft de industrie ervoor gekozen een screeningprogramma te ontwikkelen voor commerciële componenten. De gescreende onderdelen worden vervolgens gestapeld en gegoten in speciale behuizingen. Deze aanpak heeft als voordeel dat de resulterende stralingsbestendige geheugens zijn gebaseerd op de laatste commercieel beschikbare SDRam-technologie en geen ruimtewaardige versies zijn van oudere geheugengeneraties.

De Sentinel-1, Esa‘s meest geavanceerde Sar-satelliet, gaat vanaf 2013 beelden genereren voor bijvoorbeeld waterbeheer, milieumonitoring en crisismanagement tijdens aardbevingen, tsunami‘s en andere rampen. Momenteel worden verschillende embedded systemen gebruikt voor de besturing van de radarsensor, de afhandeling en de tussentijdse opslag van de ruwe data aan boord en de compressie voor verzending naar de grond. Verwerking van de gegevens in de satelliet is nog niet mogelijk. Binnen het Nederlandse OPDP-programma is het SSBV‘s doelstelling om te komen tot een ruimtewaardig concept waarin deze onderdelen zijn geïntegreerd in één systeem en waarmee de data ook aan boord zijn te verwerken tot eindgebruikersinformatie. Illustratie: Esa/P. Carril

In Nederland heeft Eonic uit Delft, nu onderdeel van het Noordwijkse SSBV Space Ground Systems, gewerkt aan embedded systemen om data te verwerken van satellietinstrumenten. Aan de basis lag de ruimtewaardige variant van de PowerFFT, een spectrumdataprocessor die we hadden ontwikkeld voor beeldvorming, radar en signal intelligence. Een decennium geleden heeft Esa de potentie hiervan al onderkend, in het bijzonder met het oog op de groeiende behoefte aan dataverwerking voor toekomstige beeldvormende radarinstrumenten (Synthetic Aperture Radar, Sar) aan boord van satellieten. Het agentschap heeft de gepatenteerde PowerFFT-IP in licentie genomen en Astrium (Europa‘s grootste satellietleverancier) heeft het ontwerp omgezet naar de stralingsharde 0,18-micron-CMos-technologie van Atmel. Momenteel is de ruimtewaardige versie van de PowerFFT beschikbaar onder de naam Fast Fourier Transform Co-Processor (FFTC).

In 2003 hebben we met het Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) een samenwerkingsprogramma opgezet op het gebied van on-board instrumentdataverwerking voor satelliettoepassingen. Daar voorzagen we de opkomende vraag naar Sar-datacompressie. In opdracht van Esa hebben we deze techniek geïmplementeerd in een breadboardmodel, dat de FFTC combineert met ruimtewaardige FPGA-technologie.

Verschillende projecten, zowel nationaal als Europees, hebben voortgeborduurd op de FFTC-architectuur, die daarbij onder meer is uitgebreid met een ruimtewaardige Leon-processor. Het laatste is in lijn met de On-Board Payload Data Processing-roadmap (OPDP) van Esa, die als doelstelling heeft om een high-performance dataverwerkingsmodule met Leon-processor, FFTC-Asic en glue-logic-FPGA te ontwerpen, te fabriceren en te testen en de prestaties te analyseren. Deze module zal niet slechts geoptimaliseerd zijn voor één specifieke oplossing maar de basis vormen voor een veelzijdig en programmeerbaar onderdeel dat bruikbaar en herbruikbaar is in een breed scala aan toepassingen (zie kader).

Deze applicaties komen mede tot stand met ondersteuning van een andere Esa-activiteit uitgevoerd in Nederland: de ontwikkeling van een programmeeromgeving voor de FFTC. De OPDP-roadmap moet leiden tot een compleet ontwikkelplatform en een infrastructuur om snel te komen van een engineeringmodel tot een ruimtewaardig embedded systeem voor satellietinstrumenten.

Minisar

In 2010 heeft SSBV een Nederlandse ruimtevaartactiviteit opgezet die moet resulteren in een Minisar-instrument op een kleine satelliet – in de ordegrootte van honderd tot driehonderd kilo. Het systeem moet hogeresolutiebeelden kunnen genereren voor een aantrekkelijke prijs, zodat exploitatie voor commerciële en industriële toepassingen mogelijk wordt – de primaire focus van Esa was wetenschappelijk gebruik. De Minisar-radartechnologie is gebaseerd op een Sar-ontwikkeling die Metasensing, een Nederlandse spin-off van Esa en nu onderdeel van de SSBV-groep, heeft gedaan voor kleine vliegtuigen.

De radartechnologie voor de Minisar-toepassing ontwikkelt SSBV grotendeels zelf. Het Noordwijkse bedrijf heeft al uitgebreide ervaring met (sub)systemen voor kleine satellieten via zijn Britse dochterondernemingen. De OPDP-technologie is een essentiële aanvulling: ze vormt de basis voor het elektronische hart van intelligente geminiaturiseerde satellietinstrumenten.

De commerciële drijfveren stellen strenge eisen aan het gewicht, de omvang en de prestaties van het OPDP-systeem voor een kleine satelliet. Het is niet alleen zaak om de technologieontwikkeling te versnellen, bijvoorbeeld door miniaturisatie en integratie, maar ook om een nieuw paradigma voor de payloadarchitectuur te definiëren. De klassieke referentiearchitectuur heeft Esa ooit in samenspraak met de Europese ruimtevaartindustrie opgezet met het oog op grote(re) satellieten die meerdere (complexe) instrumenten aan boord hebben. Deze hebben allemaal een eigen Instrument Control Unit (ICU) en een datalink met een centrale payloadcomputer, soms met een aparte high-performance payloaddataprocessor en/of een solid-state massageheugen.

De introductie van krachtige en flexibele multicore Leon-processoren, zoals de dualcore GR712 van Aeroflex Gaisler of Esa‘s nieuwe Next-Generation Multicore Processor, laat toe om de functionaliteit van de payloaddataprocessor en de payloadcomputer (die de payloaddatastromen controleert) en de formatting van de telemetriedata te combineren in één subsysteem. De achterliggende gedachte hier is een verregaande integratie van hardware-eenheden die op dit moment elk bestaan uit meerdere PCB‘s. Minder bordjes betekent minder omvang, gewicht en vermogensverbruik, en uiteindelijk dus kostenverlaging. Bovendien wordt het systeem zo een stuk eenvoudiger en nemen dus ook de ontwikkelrisico‘s sterk af.

Een volgende stap is om de payloadcomputer ook te gebruiken als instrumentcontroller. In grotere satellieten gebeurt de aansturing van instrumenten lokaal (dicht tegen de sensor), net als de voorbewerking, tussenopslag en formattering van data. De nieuwe ruimtewaardige multicoreoplossingen maken een zodanige miniaturisatie- en integratieslag mogelijk dat een volgende generatie OPDP-systeem ook de ICU-functie van een of enkele instrumenten kan uitvoeren. Hoewel inzetbaar voor grote en geavanceerde apparatuur is deze volgende generatie vooral een technologie-enabler voor relatief complexe instrumenten op kleine satellieten. Met deze laatste stap hebben ruimtewaardige embedded systemen hun technologieachterstand op vergelijkbare commerciële (aardse) varianten vrijwel ingelopen.

In diverse nationale studie- en ontwikkelprojecten zijn we momenteel druk bezig om met onze partners het Minisar-instrument te definiëren en te specificeren. Zo hebben we een conceptuele haalbaarheidsstudie uitgevoerd op basis van concurrent design, een methode die Esa veelvuldig gebruikt bij het ontwerp van satellietsystemen. Daarnaast zijn we de antenne, het OPDP-systeem en andere kritieke onderdelen verder aan het uitwerken en de engineeringmodellen aan het bouwen. Parallel benaderen we technologische en commerciële partners en potentiële gebruikers om te helpen bij de ontwikkeling. Onze doelstelling is om zo snel mogelijk een engineeringmodel van het Minisar-instrument te realiseren en te testen.

Edited by Nieke Roos