Ссылка для цитирования : Мещеряков В. Д., Николаев П. Н., Шафран С. В., Эспиноза Валлес А. С. Архитектура отказоустойчивой распределенной системы управления наноспутником SamSat-ION // Изв. вузов. Приборостроение. 2024. Т. 67, № 1. С. 33—45. DOI: 10.17586/0021-3454-2024-67-1-33-45.

Аннотация. Представлены ключевые особенности архитектуры отказоустойчивой распределенной системы управления наноспутником SamSat-ION. Одна из особенностей архитектуры — использование подхода „ведущий/ведомый“, для чего в каждой бортовой системе установлены равнозначные контроллеры, подключенные к общей шине данных, и каждый котроллер может выполнять роль ведущего на шине и обращаться напрямую к другим системам. Оснащение бортового компьютера двухъядерным контроллером с асимметричной структурой ядер позволяет увеличить производительность — осуществлять сбор и хранение телеметрии на ведомом ядре, а выполнение циклограммы полета — на ведущем ядре. Информационный обмен между системами наноспутника SamSat-ION осуществляется с помощью синхронной шины передачи данных I2C; все бортовые системы могут управляться как с бортового компьютера, так и с приемника по командам из центра управления полетом наноспутников, что повышает отказоустойчивость SamSat-ION.

Ключевые слова: наноспутник, отказоустойчивость, архитектура программного обеспечения, многоядерные контроллеры, многоконтроллерные системы

Благодарность: исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда, грант № 23-72-30002; https://rscf.ru/project/23-72-30002.

Список литературы:

1. CubeSat Handbook. From Mission Design to Operations / Ed: C. Cappelletti, S. Battistini, B. K. Malphrus. Academic Press, 2021. P. 199—219.
2. Lumbwe L. T. Development of an onboard computer (OBC) for a CubeSat / Cape Peninsula University of Technology. 2013.
3. Roberto C., Gianluca G., Gionata B., Christian C., Riccardo M. GPU@SAT: A General-Purpose Programmable Accelerator for on Board Data Processing and Satellite Autonomy // Studies in Computational Intelligence. 2022. Vol. 1088. P. 35—48. DOI: 10.1007/978-3-031-25755-1_3.
4. Shiyu W., Shengbing Z., Jihe W., Xiaoping H. Towards Energy Efficient Architecture for Spaceborne Neural Networks Computation // Algorithms and Architectures for Parallel Processing: 20th Intern. Conf., ICA3PP 2020, NY, USA, Oct. 2—4, 2020, Proc., Part II. P. 575—586. DOI: 10.1007/s12567-020-00321-9.
5. Saurabh M. R., Abhishek G., Shubham S., Kushagra A., Dhananjay M., Tanuj K. Development of On Board Computer for a Nanosatellite// 68th Intern. Astronautical Congress (IAC), Adelaide, Australia. 2017.
6. Галка А. Г., Костров А. В., Малышев М. С. Резонансный метод измерения концентрации ионосферной плазмы на микроспутниках // ЖТФ. 2023. Т. 93, № 1. С. 81.
7. Kramlikh A. V., Lomaka I. A., Shafran S. V. Estimation Method for Nanosatellite Orbital Parameters in Case of Abnormal Operation of Navigation Equipment // 27th Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems, ICINS 2020: Proc. 2020.
8. Nikolaev P. N., Kudryavtsev I. A., Shafran S. V. Requirements for nanosatellite-mounted GNSS-based instrument measuring ionospheric total electron content // IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 984, № 1. P. 012022.
9. Leonov A. I., Nikolaev P. N. Providing Nanosatellite Triaxial Gravitational Orientation Using Magnetic Actuators // IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2022. Vol. 1215, N 1. P. 012005.
10. Kramlikh A. V., Lomaka I. A., Nikolaev P. N. Damping control system design for SamSat nanosatellite platform // IOP Conf. Ser.: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 862.
11. Kramlikh A., Nikolaev P., Rylko D. V. Implementation Features of Attitude Determination Algorithm for the SamSat-ION Nanosatellite // 29th Saint Petersburg Intern. Conf. on Integrated Navigation Systems, ICINS 2022: Proc. 2022.
12. Lomaka I. A., Elisov N. A., Boltov E. A. et al. A novel design of CubeSat deployment system for transformable structures // Acta Astronautica. 2022. Vol. 197. P. 179—190.
13. Thambidurai P., You-keun P. Interactive consistency with multiple failure modes // Proc. of the 7th Symp. on Reliable Distributed Systems. 1988. P. 93—100. DOI: 10.1109/reldis.1988.25784.
14. Johnson B. Fault-Tolerant Microprocessor-Based Systems // IEEE Micro. 1984. Vol. 4, N 6. P. 6—21. DOI: 10.1109/MM.1984.291277
15. Dubrova E. Fault-Tolerant Design. N. Y.: Springer, 2013. DOI: 10.1007/978-1-4614-2113-9.
16. Velazco R., McMorrow D., Estela J. Radiation Effects on Integrated Circuits and Systems for Space Applications. Springer Intern. Publ., 2019. DOI: 10.1007/978-3-030-04660-6.
17. Erlank A. O., Bridges C. P. Satellite stem cells: The benefits & overheads of reliable, multicellular architectures // 2017 IEEE Aerospace Conf., 2017. P. 1—12. DOI: 10.1109/AERO.2017.7943732.
18. Erlank A., Bridges C. Reliability analysis of multicellular system architectures for low-cost satellites // Acta Astronautica. 2018. Vol. 147. P. 183—194. DOI: 10.1016/j.actaastro.2018.04.006.
19. Laizans K. et al. Design of the fault tolerant command and data handling subsystem for estcube-1 // Proc. of the Estonian Academy of Sciences. 2014. P. 222—231. DOI: 10.3176/proc.2014.2S.03.
20. Praks J. et al. Aalto-1, multi-payload CubeSat: Design, integration and launch // Acta Astronautica. 2021. Vol. 187. P. 370—383. DOI:10.1016/j.actaastro.2020.11.042.
21. Samsuzzaman Md. et al. BIRDS-1 CubeSat Constellation Using Compact UHF Patch Antenna // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 54282—54294. DOI:10.1109/ACCESS.2018.2871209.
22. Duarte R. O. et al. Development of an Autonomous Redundant Attitude Determination System for Cubesats // J. Aerosp. Techn. Manag. 2020. N 12. DOI: 10.5028/jatm.v12.1166.
23. Bostan V., Martiniuc A., Secrieru N., Vărzaru V., Melnic V., Ilco V. The evaluation of the on-board computer architecture for TUMnanoSAT series of nanosatellites for carrying out missions // 12th Intern. Conf. on Electronics, Communications and Computing, Moldova. 2022.
24. Fuchs C. M., Chou P., Wen X. A Fault-Tolerant MPSoC For CubeSats // 32nd IEEE Intern. Symp. on Defect and Fault Tolerance in VLSI and Nanotechnology Systems (DFT). 2019.
25. Lala J. H., Harper R. E., Jaskowiak K. R. et al. Advanced information processing system (AIPS)-based fault tolerant avionics architecture for launch vehicles // Proc. IEEE/AIAA/NASA 9th Digital Avionics Systems Conf. 1990. P. 125—132.
26. Rennels D. A. Architectures for fault-tolerant spacecraft computers // Proc. IEEE. 1978. Vol. 66, P. 1255—1268.
27. Chau S. N., Alkalai L., Tai A. T. et al. Design of a fault-tolerant COTS-based bus architecture // IEEE Trans. 1999. Reliab. 48. P. 351—359.
28. Kopetz H., Damm A., Koza C. et al. Distributed fault-tolerant real-time systems: the Mars approach // IEEE Micro 9. 1989. P. 25—40.
29. Powell D. Distributed fault tolerance: lessons from Delta-4 // IEEE Micro 14. 1994. P. 36—47.
30. Fayyaz M., Vladimirova T. Fault-tolerant distributed approach to satellite on-board computer design // Proc. IEEE Aerospace Conf. 2014. P. 1—12.
31. Fayyaz M., Vladimirova T., Caujolle J. M. Adaptive middleware design for satellite fault-tolerant distributed computing // Proc. IEEE NASA/ESA Adaptive Hardware and Systems (AHS) Conf. 2012. P. 23—30.
32. Vladimirova T., Fayyaz M. Wireless fault-tolerant distributed architecture for satellite platform computing // Convergence and Hybrid Information Technology. Springer, 2012. P. 428—436.
33. Ludtke D., Westerdorff., Stohlmann K. et al. OBC-NG: towards a reconfigurable on-board computing architecture for spacecraft // Aerospace Conf. 2014. P. 1—13.
34. Eickhoff J. Onboard Computers, Onboard Software and Satellite Operations. Springer-Berlin-Heidelberg, 2012.
35. Jalilian S. et al. Fault detection, isolation and recovery (FDIR) in satellite onboard software // Proqram Mühəndisliyinin Aktual Elmi-Praktiki Problemləri I Respublika Konfransinin Materiallari. 2017.
36. Nannipieri P. et al. A serial high-speed satellite communication CODEC: Design and implementation of a SpaceFibre interface // Acta Astronautica. 2020. Vol. 169. P. 206—215.
37. Rathsman P. et al. SMART-1: Development and lessons learnt // Acta Astronautica. 2005. Vol. 57, N 2—8. P. 455—468.
38. Durou O. et al. Hierarchical fault detection, isolation and recovery applied to cof and atv avionics // Acta Astronautica. 2002. Vol. 50, N 9. P. 547—556.
39. Olive X. FDI(R) for satellites: How to deal with high availability and robustness in the space domain? // Intern. Journal of Applied Mathematics and Computer Science. 2012. Vol. 22, N 1. P. 99—107.
40. Girard A., Provost A., Nodet J., Desmet P., Cossard P. Overview of Implementing SpaceWire in Observation Satellites from Thales Alenia Space // Proc. of the Intern. SpaceWire Conf., St. Petersburg, Russia. 2010.
41. Rakow G. P., Schmirr R., Dailey C. L., Shakoorzadeh K. Reliable Transport Over SpaceWire for James Webb Space Telescope // 2003 IEEE Aerospace Conf. Proc. 2003.
42. Josset J. L. et al. The Close-Up Imager Onboard the ESA ExoMars Rover: Objectives, Description, Operations, and Science Validation Activities // Astrobiology. 2017. Vol. 17, N 6—7. P. 595—611.
43. Макаров А. П., Соловьев В. А. Анализ автоматизированных методов расчета показателей надежности радиоэлектронной аппаратуры // НиКа: Тр. Междунар. симп. „Надежность и качество“. 2018.
44. Жаднов В. В., Лазарев Д. В. Структурно-резервированные технические системы и их показатели надежности // НиКа: Тр. Междунар. симп. „Надежность и качество“. 2005.
45. PW-SAT 2 preliminary requirements review: On-board computer / Warsaw University of Technology. 2014.
46. Chen L. W., Huang T. C., Juang J. C. Implementation of the fault tolerance module in PHOENIX CubeSat // Presentation at 10th IAA Symp. on Small Satellites for Earth Observation. 2015.
47. Selčan D., Kirbiš G., Kramberger I. Nanosatellites in LEO and beyond: Advanced Radiation protection techniques for COTS-based spacecraft // Acta Astronautica. 2017. Vol. 131. P. 131—144.
48. Yang M. et al. Space Flight Validation of Design and Engineering of the ZDPS-1A Pico-satellite // Chinese Journal of Aeronautics. 2012. Vol. 25, N 5. P. 725—738.
49. Ghosh S., Melhem R., Mosse D. Fault-tolerance through scheduling of aperiodic tasks in hard real-time multiprocessor systems // IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst. 1997. Vol. 8. P. 272—284. DOI: 10.1109/71.584093.
50. Wang S. et al. A reliability-aware task scheduling algorithm based on replication on heterogeneous computing systems // Journal of Grid Computing. 2017. Vol. 15 P. 23—39. DOI: 10.1007/s10723-016-9386-7.
51. Haque M. A., Aydin H., Zhu D. On reliability management of energy-aware realtime systems through task replication // IEEE Trans. Parallel Distrib. Syst. 2017. Vol. 28, N 3. P. 813—825. DOI: 10.1109/TPDS.2016.2600595.
52. Mei J. et al. Fault-tolerant dynamic rescheduling for heterogeneous computing systems // Journal of Grid Computing. 2015. Vol. 13, N 4. P. 507—525. DOI: 10.1007/s10723-015-9331-1.
53. Hasan M., Goraya M. S. A framework for priority based task execution in the distributed computing environment // Intern. Conf. on Signal Processing, Computing and Control (ISPCC), 2015. P. 155—158. DOI: 10.1109/ISPCC.2015.7375016.
54. Naithani A., Eyerman S., Eeckhout L. Optimizing soft error reliability through scheduling on heterogeneous multicore processors // IEEE Trans. Comput. 2018. Vol. 67, N 6. P. 830—846. DOI: 10.1109/TC.2017.2779480.
55. Baumann R.C. Radiation-induced soft errors in advanced semiconductor technologies // IEEE Trans. on Device and Materials Reliability. 2005. Vol. 5, N. 3. P. 305—316.
56. Singh M. Performance analysis of checkpoint based efficient failure-aware scheduling algorithm // Intern. Conf. on Computing, Communication and Automation (ICCCA), 2017. P. 859—863. DOI: 10.1109/CCAA.2017.8229916.
57. Goloubeva O., Rebaudengo M., Reorda M. S., Violante M. Software-Implemented Hardware Fault Tolerance. Springer, 2006. DOI: 10.1007/0-387-32937-4.
58. Norris J. R. Markov Chains. N. Y.: Cambridge Univ. Press, 1998.