У липневому номері журналу Scientific American опубліковано приголомшливий огляд космічної місії "Вояджер", де детально описуються подорожі апаратів Сонячною системою.
Стаття називається "Рекордні космічні апарати "Вояджер" починають відключати живлення".
Де зараз Вояджер-1 і Вояджер-2
На сьогоднішній день вони вийшли в міжзоряний простір і стали першими людськими артефактами, що покинули Сонячну систему.
Тім Фолджер зазначає, що "Вояджери 1 і 2" були розроблені до появи мікропроцесорів, але їхня місія триває вже 44 роки, на 40 років довше від запланованого терміну.
Далі в статті наводяться слова Стаматіоса Крімігіса, доктора фізики і дослідника космосу, який понад півстоліття пропрацював у Лабораторії імені Джона Гопкінса.
Крімігіс стверджує: "Обсяг програмного забезпечення на цих приладах мізерно малий. Загалом, я думаю, місія протрималася так довго, тому що майже все було жорстко під'єднано. Сучасні інженери не знають, як це зробити. Я не знаю, чи можливо взагалі побудувати такий простий космічний апарат".
Стоп.
Ми просто більше не використовуємо мікросхеми TTL або CMOS, тому що це неефективний і застарілий спосіб проєктування на рівні плати.
Апаратне забезпечення базується на FPGA. Ми більше не покладаємося виключно на схеми під час проєктування апаратури; VHDL і Verilog дають змогу розробляти набагато складніші логічні схеми.
Проектування апаратури для космічних додатків живе, процвітає і тісно пов'язане з рештою проектування апаратури. Просто ми перейшли на FPGA.
Інженери, які проєктують космічні пристрої для роботи в умовах високої радіації, розробили кілька методів радіаційно-стійкого проєктування, включно з безпечними FSM (скінченні автомати станів), FSM з кодуванням Хеммінга і потрійним резервуванням модулів (TMR).
Основні виробники FPGA, включно з AMD/Xilinx, Lattice і Microchip (раніше Microsemi і Actel), або вже відправили пристрої в космос як основні компоненти різних місій, або пропонують радіаційно-стійкі FPGA для застосунків, або й те, й інше.
Наприклад, FPGA від Microchip і AMD/Xilinx перебували на борту двох марсоходів Spirit і Opportunity, а також на плутонієвому марсоході Perseverance, який наразі курсує Марсом.
Крім того, FPGA Microchip ProASIC3 дзижчить у розрідженій марсіанській атмосфері на борту надзвичайно успішного вертольота Ingenuity, слугуючи інтерфейсом для датчиків і сервоприводів гелікоптера.
FPGA від Microchip відправили до Плутона на борту космічного апарату NASA "Нові горизонти" в комплекті приладів для вимірювання температури і тиску атмосфери колишньої планети. Це лише кілька прикладів. Їх багато.
Особливі космічні апарати
Космічні апарати "Вояджер-1" і "Вояджер-2" було запущено 1977 року. Тоді і в помині не існувало FPGA. Під час їхнього проектування не використовували жорстко пов'язану електроніку, як можна припустити зі статті в Scientific American.
На борту, як не дивно, "багато" програмного забезпечення. Фактично, "Вояджер-1" і "Вояджер-2" несуть по шість бортових комп'ютерів, від самого початку організованих як розподілена система, що складається з трьох дивайсів із подвійним резервуванням: комп'ютерної командної системи (CCS), системи управління артикуляцією польоту (AACS) і системи польотних даних (FDS).
Без цих комп'ютерів, які безперервно працювали 45 років, космічні апарати ніколи б не досягли зовнішніх кордонів Сонячної системи. Усі наукові дані ніколи б не передалися на Землю.
CCS, розроблена Лабораторією реактивного руху (JPL) у Пасадені, керує всіма основними системами, контролює температуру всередині приладу, управляє комп'ютерами AACS і FDS, а також 11 бортовими приладами, посилаючи їм команди.
CCS використовує 18-бітові команди з 6-бітовим опкодом і 12-бітною адресою.
AACS має дуже схожу архітектуру з CCS і тому також веде свій родовід від більш раннього комп'ютера "Вікінга".
Цей комп'ютер керує положенням космічного апарата і контролює артикуляцію скануючої платформи.
FDS був розроблений спеціально для космічного апарата "Вояджер", оскільки JPL був потрібен швидший комп'ютер для форматування, зберігання і передачі зображень (дані, які ми найбільше асоціюємо з місіями "Вояджерів") і для надсилання наукових та інженерних телеметричних даних.
На відміну від двох інших комп'ютерних систем, що використовувалися на "Вояджері", FDS побудований не на мікросхемах TTL. Це перший комп'ютер на основі КМОП-чіпів, який літає в космосі.
Частина форматування даних, яке виконує FDS, містить у собі корекцію помилок (FEC) з використанням кодування Голея.
У міру віддалення від двох космічних апаратів, сигнали "Вояджерів" стають дедалі слабкішими, радіоканал більш шумним, відношення сигнал/шум падає.
Кодування Голея дає змогу даним, відправленим на Землю, витримати три біти помилки прийому на одиницю даних. Однак кодування за Голеєм також подвоює кількість переданих бітів, що скорочує ефективну пропускну здатність каналу.
JPL розширив можливості FDS на "Вояджері-2", коли місія "Юпітер/Сатурн" була розширена до зовнішніх планет.
Оновлення включали стиснення зображень і перехід на FEC Ріда-Соломона для обробки зображень. Коди Ріда-Соломона несуть значно менше накладних витрат, ніж оригінальний код FEC Голея, і наразі широко використовуються для зберігання даних і комунікаційних додатків. Програмне забезпечення Voyager FDS було піонером у використанні цього алгоритму кодування.
Обидва удосконалення FDS дають змогу "Вояджеру-2" передавати більше даних через смугу радіочастот, яка дедалі зменшується, у міру віддалення космічного апарата від Землі.
Удосконалення вимагають постійного використання другого, резервного комп'ютера FDS для нових алгоритмів оброблення зображень, оскільки одного комп'ютера FDS уже недостатньо для роботи всього програмного забезпечення FDS.
Таким чином, ціною оновлень стала втрата надмірності FDS. Важливо зазначити, що вони стали можливими тільки тому, що були завантажені на комп'ютери "Вояджера" як оновлення програмного забезпечення.
CCS, AACS і FDS являють собою складну, розподілену, з подвійним резервуванням, вбудовану комп'ютерну систему, яку JPL розробила і вбудувала в космічний апарат "Вояджер".
Прилади
У приладів "Вояджера" не було ні бюджету потужності, ні вільного часу для розроблення комп'ютерів на замовлення, а мікропроцесори на той час були занадто дивовижними.
Тому інженери-електрики, які працювали над проектами, створювали простіші системи з використанням жорстко пов'язаної логіки.
На двох однакових космічних апаратах "Вояджер" встановлено одинадцять приладів:
- Підсистема формування зображень: двокамерна відеосистема з однією вузькокутовою і однією ширококутовою камерами. У системі використовували монохромні відіконові трубки з повільним скануванням і до восьми фільтрів на камеру для одержання монохромних, кольорових і ультрафіолетових зображень.
- Радіопідсистема використовувала радіосистеми космічного апарата для визначення фізичних властивостей іоносфери та атмосфер планет і супутників, а також для визначення їхніх мас, гравітаційних полів і густини під час зіткнень із цими тілами.
- Інфрачервоний інтерферометричний спектрометр: інтерферометр Майкельсона та одноканальний радіометр, який вимірював склад атмосфер планет і супутників.
- Ультрафіолетовий спектрометр: вимірював властивості атмосфери та атмосферне випромінювання в ультрафіолетовому діапазоні (від 400 до 1600 A).
- Тривісний флюксгейтовий магнітометр: призначений для дослідження магнітних полів Юпітера і Сатурна, взаємодії сонячного вітру з магнітосферами цих планет, а також міжпланетного магнітного поля до межі сонячного вітру і далі.
- Плазмовий спектрометр: досліджував макроскопічні властивості іонів плазми і вимірював електрони в діапазоні енергій від 5 еВ до 1 кеВ.
- Прилад для вивчення заряджених частинок низької енергії: призначений для вивчення енергетичних частинок, включно з електронами, протонами, альфа-частинками і важчими ядрами в планетарному і міжпланетному середовищі.
- Підсистема космічного випромінювання: системи високоенергетичних (HETS) і низькоенергетичних телескопів (LETS), що вивчали походження, історію життя і динаміку випромінювання, нуклеосинтез елементів у джерелах космічних променів, їхню поведінку в міжпланетному середовищі.
- Дослідження планетарної радіоастрономії: вивчення фізики магнітосферних плазмових резонансів і нетеплового радіовипромінювання за допомогою розгорнутого радіоприймача, що працює у двох станах поляризації на частотах від 20 кГц до 40,5 МГц.
- Підсистема фотополяриметра: 8-дюймовий телескоп Кассегрена з поляризатором і фільтрами для восьми смуг у спектральній ділянці 2200A - 7300A, живильний фотопомножувач, що використовується для вивчення текстури та складу поверхні планет, отримання інформації про розподіл розмірів та склад тіл у планетарних кільцях, а також для отримання інформації про властивості атмосферного розсіювання та щільності атмосфер планет.
- Підсистема плазмових хвиль: 16-канальний приймач ступінчастих частот і приймач низькочастотних хвиль, які використовують для забезпечення безперервних, незалежних від оболонки вимірювань профілів електронної густини на Юпітері, Сатурні та інших відвідуваних планетах.
Ці прилади допомогли змінити наше розуміння Сонячної системи. Завдяки цим приладам, ми знаємо, що обидва "Вояджери" вийшли за межі Сонячної системи в міжзоряний простір.
На додаток до цих одинадцяти наукових приладів космічні апарати "Вояджер" несуть позолочену платівку, на якій закодовано звуки і зображення, на випадок, якщо їх виявлять інші цивілізації.
