Kaupallisten 180-2000 kilometrin korkeudessa operoivien matalan kiertoradan LEO-satelliittien markkinat ovat kasvussa, sillä kysyntää on yhä nopeammille internet-yhteyksille sekä suuren resoluution kuvantamis- ja kartoitussovelluksille, joissa tarvitaan nopeita toistojaksoja.

LEO-satelliiteille sijoitetut hyötysignaali-instrumentit käyvät yhä monimutkaisemmiksi, kun tietoliikenteelle ja kuvantamiselle asetetut vaatimukset lisääntyvät kaiken aikaa. Lisäksi tähän liittyy myös etämittauskanavien määrän kasvattaminen, jotta instrumenttien kuntoa voidaan valvoa ja taata turvallinen, luotettava toiminta satelliitille koko sille suunnitellun eliniän ajaksi. Kun käytetään tavanomaisia analogisia erilliskomponentteja, etämittauselektroniikalla on taipumus viedä paljon korttiasennustilaa ja kuluttaa runsaasti tehoa, jolloin myös muodostuu haittaavasti lämpöä. Lisäksi entistä monimutkaisemmat instrumentit vaativat satelliittiin suuren määrän piirikortteja.

Piirikorttien koon, komponenttien määrän, tehonkulutuksen ja lämmönmuodostuksen asettamat haasteet saadaan onneksi suurelta osin ratkaistuiksi, kun käytetään uudenlaisia säteilynkestäviä sekasignaalisia IC-piirejä ja uutta avoimen RISC-V -arkkitehtuurin mukaista RISC-laskentaa.

Etämittaus valvontaa ja ohjausta varten

Käytännössä etämittauskortit suorittavat monenlaisia toimintoja, jotka liittyvät muuhunkin kuin kunnon monitorointiin ja vianilmaisuun, kuten esimerkiksi käsittelemään yhteyden eristämistä satelliittimaa-asemalta ja palauttamista satelliittimaa-asemalle sekä hallitsemaan tehonkulutusta ja lämpöhäviöitä ohjaamalla autonomisesti hyötysignaali-instrumenttien kuormitusta.

Nykyisissä satelliiteissa tyypillisimmin käytössä olevat piirikortit, joita usein nimitetään I/O-korteiksi, sisältävät suuria määriä analogiamultipleksereitä, analogia-digitaalimuuntimia, virta-ajureita, jännitereferenssejä ja muita erilliskomponentteja, jotka keräävät dataa kuten tärkeitä virta- ja jännitearvoja sekä tietoja lämpötiloista, mekaanisista jännityksistä, paineista ja magneettikentän voimakkuuksista. Kunkin kortin pinta-ala asettuu välille 120-180 neliötuumaa (180 neliötuumaa on noin kaksi A4-paperia) ja monimutkaiset hyötysignaalit voivat vaatia useita kortteja, jotta kaikki kanavan edellyttämät vaatimukset saadaan toteutetuksi. Tähän kuluu paljon satelliitin sisällä olevaa kallisarvoista tilaa ja lisäksi tämä kuluttaa tehoa ja synnyttää haitallista lämpöä sekä lisää materiaalikustannuksia. On myös hankalaa ja kallista suunnitella kortteja uudelleen tai sovittaa niihin uusia ominaisuuksia tai päivittää niiden olemassa olevia ominaisuuksia. 

Uudenlainen ohut ratkaisu

Kehittyneiden teknologisten ratkaisujen toimittamiseen erikoistuneen Microsemin tarjoamassa tuotevalikoimassa on saatavissa tilauspohjaisia integroitavia, säteilynkestäviä sekasignaalipiirejä, joihin voidaan integroidusti koota suuri joukko analogiatoimintoja, kuten multipleksereitä, vahvistimia, suodattimia, analogia-digitaali- ja digitaali-analogiamuuntimia yksittäiselle laitteelle. Näillä IC-piireillä hyötysignaalikorttien suunnittelija voi toteuttaa I/O-kortteja, joissa komponenttien määrä ja korttien kokoa on saatu merkittävästi pienemmäksi. Tällä tavoin saadaan säästöä kustannuksissa ja tilantarpeessa, jotka liittyvät kriittisten satelliittiparametrien ilmaisussa tarvittavan anturidatan lukemisessa ja käsittelyssä. Samalla myös järjestelmän luotettavuus paranee ja säästetään kustannuksia ja aikaa, mitä kuluu yksittäisten komponenttien seulontaan, testaukseen ja kelpoisuuden määrittelyyn.

Esimerkiksi LX7730-etämittausohjain käsittää monipuolisen joukon analogia- ja muunnintoimintoja sekä ohjelmoitavan virtalähteen, tarkkuusjännitelähteen ja 64 konfiguroitavaa differentiaalista tai epäsymmetristä anturituloa integroituna 132-nastaiseen keraamiseen CQFP-koteloon. Sen säteilynkestävyysarvot ovat ionisoivan säteilyn kokonaisannos (TID) 100 krad ja alttius heikkotasoisen säteilyn aiheuttamalle vikaantumiselle (ELDRS) 50 krad, mukaan lukien yksittäistapauksina tapahtuvat ilmiöt, ja se täyttää sekä Class Q:n että Class V:n mukaiset QML-laatuvaatimukset.

LX7730 on suunniteltu toimimaan isäntänä toimivan FPGA-piirin yhteydessä, jolloin tiedonsiirto tapahtuu joko 8-bittisellä rinnakkaisväylällä tai 12,5 Mb/s:n SPI-liitäntäparilla, joka tukee redundanttia tiedonsiirtoa kahdelle eri isännälle.

Avoimen käskykannan arkkitehtuuri

Uudenlaista avointa RISC-V ISA-arkkitehtuuria hyödyntämällä FPGA-piiri pystyy toimimaan edullisesti lähellä etämittauslähdettä. Se mahdollistaa autonomisesti tapahtuvan datan keräämisen, kunnon valvonnan ja kuormituksen ohjauksen hyötysignaalilähteessä, jolloin satelliitin keskusyksikköjärjestelmästä vapautuu resursseja, koska sen ei tarvitse vastata etäällä olevien hyötysignaaliyksikköjen etämittauksen hallinnasta. 

RISC-V-säätiön ylläpitämänä standardina avoimena arkkitehtuurina RISC-V ISA tarjoaa paljon etuja avaruustekniikan suunnittelussa. Yksi etu on ”jäädytetty” käskykanta, minkä ansiosta mikä tahansa RISC-V-ytimelle kirjoitettu ohjelmisto toimii aina millä tahansa RISC-V-laitteella. Tämän ansiosta alkuperäinen koodikanta on uudelleen käytettävissä monissa eri ohjelmistoissa jopa vuosikymmeniä, jolloin vanhempien sovellusten ylläpitäminen helpottuu merkittävästi. Yhteistyökumppanit ja jälleenmyyjät voivat luoda RISC-V-ohjelmistoytimiä, jotka räätälöidään asiakkaan erityisvaatimuksiin ja mahdollistavat tarvittaessa RTL-yhteiskäytön sallimisen turvallisuudeltaan kriittisten sovellusten valvonnassa.

RISC-V-prosessorit on jo testattu säteilynkestävissä FPGA-piireissä avaruuslentosovelluksissa. RISC-V-prosessorin käsittävä FPGA soveltuu käytettäväksi kussakin hyötysignaaliyksikössä lukemaan LX7730-sekasignaalipiirin lähettämää etämittausdataa, prosessoimaan kyseistä dataa ja tekemään päätöksiä sen pohjalta sekä raportoimaan tietoa hyötysignaaliyksikön kunnosta satelliitin keskustietokoneelle käyttäen mitä tahansa yleiskäyttöistä käskyväyläprotokollaa, kuten MIL-STD-1553, SpaceWire, CAN-väylä, tai standardoimattomia erityisprotokollia.

Periaate hyväksi havaittu

Uudenlaisen etämittausdatan keräämisen periaatetta esitelläkseen Microchip on toteuttanut ”Six Sensor Demo” -konseptin, jossa RISC-V-pohjainen RTG4 FPGA on yhdistetty LX7730-etämittausohjaimeen SPI-liitännällä. LX7730 kerää dataa toisiinsa yhdistetystä anturien pienverkostosta ja näyttää mitatut arvot kannettavan tietokoneen näytön käyttöliittymällä. FPGA käskyttää LX7730-ohjainta lähettämään analogia-digitaalimuunnosdataa SPI-kehyksessä ja suorittaa tarvittavat skaalaustoimenpiteet ennen kuin lähettää datan käyttöliittymälle UART:n kautta.

Yhdessä mainitut kaksi edistysaskelta – suurtiheyksinen sekasignaali-integrointi ja avoin RISC-V ISA – mahdollistavat sen, että satelliitin datankeruun elektroniikka voidaan toteuttaa entistä vähemmän tilaa vaativana ja tehoa kuluttavana, entistä kevyempänä, taloudellisempana käytössä, joustavampana ja luotettavampana. Samalla keskustietokoneen kapasiteettia vapautuu, koska sen ei tarvitse enää keskitetysti hallita monien etämittauskorttien toimintaa.

LEO-satelliittien käyttö on näin ollen entistä taloudellisempaa tietoliikenteen, kuvantamisen ja muissa sovelluksissa, mikä lisää niiden kaupallista kiinnostavuutta.