Применения LabVIEW на практике

Millennium Space Systems использует sbRIO и SOM в космических аппаратах ALTAIR

Наши клиенты могут развертывать космические системы при меньших затратах и быстрее, чем традиционные аэрокосмические компании, и могут продвигать эти системы, используя технологии быстрого обновления. NI помогает нам воспользоваться преимуществами готовых решений в космическом аппарате ALTAIR, которые обеспечиваются тесной интеграцией одноплатных устройств Single-Board RIO с модулями LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA.
- Ted Carancho, Jeremy Blaire, Britt Christy, Jimmy Downs, Leonard Gibbs; Millennium Space Systems

Задача: Разработать дешевый аппарат CubeSat размерами 27U (30 x 30 x 30 cm) или меньше, обладающий высокой точностью наведения при полезной нагрузке 50 кг и средней мощности на орбите 90 Вт.

Решение: Используя систему в модуле sbRIO-9651 (SOM) и модули LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA, мы сократили время разработки до 1 го года (по сравнению с типичными затратами от 4-х до 5-ти лет на разработку аппаратных средств и программного обеспечения космического аппарата), а также разработали программную архитектуру на основе повторно используемого ядра, с помощью которой можно создавать группировки космических аппаратов, легко адаптируемых для будущих миссий.

Кто мы: Millennium Space Systems разрабатывает, производит и запускает современные космические аппараты и группировки космических аппаратов, а также управляет ими на орбите. Компания была основана в 2001 году для предоставления в космосе надежных недорогих альтернатив департаменту национальной безопасности, NASA и коммерческим клиентам.

Мы являемся вертикально интегрированной компанией, которая предоставляет спутниковые платформы, продукты и услуги. Аппарат ALTAIR Millennium - это новаторская недорогая платформа для группировок с низкой околоземной орбитой. Спутники ALTAIR CubeSats обеспечивают высокую точность запуска и необходимую энергию для принципиально новых миссий и коммерческих предприятий при поставке в течение 6-ти месяцев и стоимости от 500 000 долларов.

Мы можем проектировать, разрабатывать, изготавливать, тестировать и управлять вашей космической системой. Мы обладаем проверенными компетенциями, методами и возможностями для формулировки задач миссий, разработки космической системы, производства, интеграции, поддержки запуска и операций на орбите. Если вам нужна разработка концепции, системная проработка или весь цикл работ вплоть до вывода на орбиту - у нас есть опыт и возможности для создания творческих и экономичных решений.

Список наших клиентов включает НАСА, учреждения гражданской и национальной безопасности, Министерство обороны и организаторы коммерческих космических проектов. В дополнение к нашей основной компетенции в области разработки и производства спутников мы предлагаем полный спектр услуг, обеспечивающих продвижение вашей миссии от первоначальной идеи до реальной орбиты:
  • Разработка концепции миссии и космической системы
  • Разработка планов и стратегий
  • Разработка задач и архитектуры систем, концепции эксплуатации
  • Концепция космического аппарата - детальное проектирование, включая анализ, моделирование, симуляцию, разработку программного обеспечения и верификационное тестирование
  • Вертикально интегрированные возможности разработки и изготовления компонентов и подсистем
  • Разработка программного обеспечения для наземных и полетных операций
  • Быстрое прототипирование, аппаратно-программные и программно-аппаратные испытательные стенды для снижения рисков монтажа, интеграции и тестирования
  • Интеграция и тестирование полезной нагрузки
  • Системная интеграция и тестирование (функциональное и экологическое), верификация проекта
  • Инициация основной обработки операций до и после запуска
  • Обучение целям, симуляция, проверка транспортных средств и операций
Спутниковые платформы Millennium ALTAIR обеспечивают первоклассные характеристики за невысокую цену. Разработанный для адаптации к задачам и быстрого создания группировок, ALTAIR будет готов, когда вам это потребуется.
  • 30 x 30 x 30 см (27U CubeSat)
  • 50 кг полезная нагрузка
  • До 90 Вт средняя мощность для полезной нагрузки на орбите
  • 250 Вт пиковая мощность на нагрузке
  • 20 угловых секунд погрешность управления наведением
  • 10 угловых секунд погрешность определения направления

500 000$ фиксированная стоимость модели ALTAIR E1
  • Средняя мощность для полезной нагрузки на орбите 27 Вт
  • Программа готовых покупных комплектующих
  • Настройка интерфейса полезной нагрузки
  • Интеграция полезной нагрузки
  • Испытания на вибрации и в термобарокамере
  • 6 месяцев от заказа до вывода на орбиту первого аппарата
Как мы достигли успеха: Разработка космических аппаратов - это сложная и дорогостоящая инженерная работа, которая, как правило, может занимать пять или более лет, в зависимости от сложности задачи.

Millennium Space Systems стремится использовать новейшие технологии Силиконовой Долины и внедрять их в аэрокосмическую промышленность для реализации революционных возможностей. Вместо того, чтобы полагаться на устаревшие, но проверенные в космосе вычислительные платформы и аппаратные компоненты, мы используем новейшие коммерческие аппаратные и программные технологии, такие, как предоставляемые NI. Используя такой подход, мы радикально сокращаем время разработки и стоимость.

Мы тестируем каждый покупной компонент на соответствующих экологических тестах для проверки его живучести в космосе при выполнении миссии космического аппарата и используем современные подходы к разработке программного обеспечения, такие как Agile, в итерационном процессе создания компактных высокопроизводительных программных решений для космоса. "Наши клиенты могут развертывать космические системы при меньших затратах и быстрее, чем традиционные аэрокосмические компании, и могут развивать эти системы, используя технологии быстрого обновления.

NI помогает нам воспользоваться преимуществами готовых решений в космическом аппарате ALTAIR, которые обеспечиваются тесной интеграцией одноплатных устройств Single-Board RIO с модулями LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA". Использование графического языка для разработки приложений реального времени и FPGA позволяет нам быстро анализировать требования, кодировать их, тестировать и отлаживать в интуитивно понятной среде. Благодаря средствам отладки LabVIEW Real-Time и LabVIEW FPGA сравнительно небольшая группа разработчиков чрезвычайно быстро решила возникавшие проблемы .

Во время интеграции и тестирования (I&T) мы разработали интерфейс наземного интерфейса оператора ALTAIR, чтобы вручную отправлять команды на космический аппарат и просматривать телеметрию без использования полного комплекта программного обеспечения миссии. Мы создали это приложение в LabVIEW с помощью встраиваемого интерфейса субпанелей. Это дало возможность для каждой подсистемы создать свою индивидуальную лицевую панель, а затем интегрировать их в общую главную панель для интеграции и тестирования.

Как это работает: Мы объединили в ALTAIR CubeSat несколько подсистем. Эти подсистемы включают подсистему обработки команд и данных (CDH); подсистему наведения и навигации (GNC); подсистему электроэнергетики (EPS); подсистему телеметрии, слежения и управления (TTC); подсистему термического контроля (TCS).

Подсистема CDH выделяет/обрабатывает команды с наземной станции или команд скрипта, хранящегося на борту. Обработанные команды направляются в соответствующую подсистему, например, в подсистему ручного управления для включения нагревателя в подсистеме TCS. Кроме того, здесь обрабатывается любая телеметрия, которая помогает операторам определять состояние космического аппарата.

Собранные из каждой подсистемы телеметрические данные преобразуются для передачи на землю через подсистему TTC. Подсистема GNC поддерживает положение космического аппарата в пространстве в процессе движения по орбите. Эта подсистема получает телеметрию от различных устройств, таких, как инерциальный измерительный блок, GPS, прибор ориентации по звездам и трехкоординатный магнитометр. Затем эти результаты измерения используются для реализации алгоритма управления аппаратом ALTAIR, генерации команд исполнительным механизмам, таким, как маховики, торсионные валы или двигатели для управления с обратной связью в точном соответствии с командами.

Подсистема EPS поддерживает мощность системы электропитания космического аппарата на требуемом уровне. Это обеспечивается управлением в замкнутом контуре путем измерения потребляемой мощности и включения/отключения солнечных батарей для удовлетворения требований к питанию ALTAIR.

Подсистема TTC управляет связью с различными наземными пунктами, поэтому операторы могут следить за состоянием космического аппарата, и каждый оператор при необходимости может дать команду на приземление.

Подсистема TCS поддерживает приемлемые уровни температуры в каждой зоне, используя управление с обратной связью по результатам измерения температуры с помощью термисторов, включая/отключая нагреватели.

В качестве полетного компьютера подсистемы CDH используется система в модуле sbRIO-9651 (SOM). В ее состав входят Xilinx Zynq All Programmable SoC с общими компонентами, такими, как память, процессор реального времени и реконфигурируемая FPGA. Процессор работает под LabVIEW Real-Time и фокусируется на обработке команд наземного обслуживания, полученных от TTC, маршрутизации их в целевую подсистему или устройство, считывание телеметрии из FPGA и выполнение алгоритма управления для генерации команд передаваемых через FPGA актюаторам. Мы спроектировали логику FPGA с помощью LabVIEW FPGA и использовали ее для непосредственного взаимодействия с датчиками и исполнительными механизмами. Датчики и исполнительные механизмы генерируют телеметрические сигналы для обработки кодом реального времени или принимают команды для передачи на актюаторы. FPGA управляет высокоскоростным обменом данными по интерфейсам RS232, RS485, I2C или SPI в зависимости от требований каждого устройства. Мы используем LabVIEW Real-Time для синхронизации команд и телеметрии в жестком контуре управления, который хорошо реализуется возможностями sbRIO-9651.

В рамках подсистемы GNC мы разработали прибор ориентации по звездам (Star Tracker - STA) для точного определения местоположения и ориентации ALTAIR. STA генерирует кватернион для описания положения в пространстве и ориентации и использует sbRIO-9651 с его вычислительной мощностью для связи с интегрированной камерой. После загрузки FPGA может сконфигурировать камеру на непрерывное получение изображений. Эти изображения затем обрабатываются в LabVIEW Real-Time, определяя центроиды и идентифицируя звезды. Из этих данных система генерирует кватернион и передает его на полетный компьютер через реализованный в FPGA драйвер RS485.

Что дальше? Наш первый запуск ALTAIR - это ALTAIR Pathfinder, на создание которого потребовалось менее 12 месяцев с момента старта программы до даты запуска. Мы разработали этот аппарат, чтобы продемонстрировать передовую авионику ALTAIR, средства наведения и управления, аддитивное производство, энергетику, радиосвязь и технологии бортовой обработки. ALTAIR Pathfinder будет запущен с целью снабжения на международную космическую станцию, запуск назначен на апрель 2017 года. После достижения цели аппарат будет отстыкован в течение 30-60 дней. По графику Millennium Space Systems планирует в 2018 финансовом году поставить нашим заказчикам 22 космических аппарата ALTAIR. Мы определенно загружены на ближайшие годы и надеемся на непрерывные инновации с использованием продукции NI и другие готовых коммерческих компонентов.

Возврат к списку