הביקוש העולמי ללוויינים במסלול נמוך של כדור הארץ עולה בקצב חסר תקדים, הוא מונע מתוך צרכים מגוונים כגון גישה מהירה ומשתלמת יותר לאינטרנט, ושיעורי חזרה מהירים יותר עם רזולוציה טובה יותר לנתוני הדמיה. כלי המטען הייעודי של הלווייניים שמבצעים פונקציות תקשורת או הדמיה הופכים למתוחכמים ובעלי מסוגלות גבוהה יותר, ומחייבים איסוף של כמויות גדלות והולכות של נתוני טלמטריה כדי להבטיח הפעלה בטוחה ואמינה של הלוויין. הדבר נעשה באמצעות מספר כרטיסי מעגל גדולים, זוללי חשמל ומייצרי חום שמכילים מגוון רכיבים נפרדים לניטור תקינות המטען הייעודי. ניתן להפחית באופן משמעותי את מספר הרכיבים של כרטיסי ה-I/O האלה ואת השטח וההספק שהם דורשים באמצעות ניצול ההתפתחויות האחרונות במעגלים משולבים עם אותות מעורבים מוקשחים לקרינה (ICs), בשילוב עם ארכיטקטורת ערכת הוראות פתוחות חדשה (ISA) עבור מערכי הוראות מחשוב מופחתות שנקרא RISC-V (מכונה “סיכון חמש”).
פונקציות טלמטריה קריטיות
טלמטריה מאפשרת ניטור תקינות ואיתור תקלות, בידוד והשבה מתחנת הקרקע הלוויינית, אך מאפשרת בנוסף ללוויין לשלוט באופן אוטונומי על העומס בכלי המטען הייעודי על מנת לנהל את צריכת החשמל והפיזור התרמי, דבר שעשוי להיות נחוץ כדי למנוע עומס יתר ולהאריך את חיי הלווין.
כיום נתוני הטלמטריה נלכדים על ידי כרטיסי מעגל גדולים, שמכונים בדרך כלל כרטיסי I/O, שמלאים ברכיבים נפרדים כגון מרבבים אנלוגיים, ממירים מאנלוגי לדיגיטלי, מנהלי התקני זרם והפניות מתח. רכיבים אלה לוכדים את נתוני רמות המתח וצריכת הזרם, הטמפרטורה, המתח המכני, הלחץ ועוצמת השדה המגנטי, כל אלה נחוצים לצורך ניטור תקינות המטען הייעודי. כרטיסי I/O אלה הם בדרך כלל גדולים מאוד ותופסים שטח יקר של 12 עד 18 אינץ’ מרובע בכל ציוד של מטען ייעודי. מטענים ייעודיים מורכבים, כגון ערוצים דיגיטליים ליישומי תקשורת, או מערכות לעיבוד אותות עבור הדמיה או יישומי מכ”ם, מבוססים לרוב על שלדות ועשויים לדרוש מספר כרטיסי I/O למטרות טלמטריה. כרטיסי I/O טלמטריים זוללים חשמל, מייצרים חום ומוסיפים במידה ניכרת לעלות החומרים של ציוד המטען הייעודי. יתר על כן, כרטיסי מעגל שתוכננו עבור מכשירים נפרדים אינם גמישים או ניתנים להגדרה.
קיצוץ בגודל, עלות והספק
ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיית אות מעורב מוקשח קרינה (ICs הביאה לרמת אינטגרציה גבוהה יותר שיכולה למזער את ספירת הרכיבים ולהפחית את השטח שכרטיסי I/O אלה צורכים. כעת ניתן לאחסן ב-IC יחיד פונקציות כגון מרבבים, מגברים, מסננים, ADC ו-DAC שהושגו בעבר עם אינטגרציה בקנה מידה קטן ורכיבים נפרדים. הדבר מאפשר לקרוא ולעבד נתונים מחיישנים שעוקבים אחר פרמטרים לווייניים קריטיים עם צמצום דרמטי של שטח הלוח. אינטגרציה כזו מביאה תועלת נוספת ליצרני לוויינים בעלי אמינות מוגברת בזכות הפחתת רכיבים וצמצום הזמן והעלות הנדרשים לסינון, בדיקות והסמכה של רכיבים רבים אלה מאחר והדבר נעשה כעת במאמץ יחיד עם IC בודד. בקר הטלמטריה LX7730 של Microsemi הוא דוגמה להתקדמות זו. הוא משלב פונקציות אלה בחבילה מרובעת של 132 פינים ומותאם QML הן לרמה Q והן לרמה V, הדרישות ליישומי החלל התובעניים ביותר.
ניתן לחזות ביתרונות של גישה זו ביישומים כגון מד גובה הלייזר מגנימד (GALA), אחד המכשירים המדעיים שנבדקו לצורך שימוש על סיפונה של (Jupiter Icy Moon Explorer (JUICE של סוכנות החלל האירופית (ESA) שמתוכננת לצאת למשימתה במהלך 2022. מערכת מד גובה זו תמדוד את מרחק החללית מפני השטח של הירחים הקפואים של צדק – גנימד, אירופה וקליסטו על ידי חישוב הזמן שלוקח לקרן לייזר להגיע אל פני השטח, להשתקף ולחזור לטלסקופ שבתוך המכשיר. ספקית מערכת מד הגובה בלייזר Hensoldt Optronics בחרה בבקר הטלמטריה LX7730 כדי לספק עיבוד נקי לנתוני מכשירים כולל טמפרטורות, מתח וזרמי אספקה. בטווח של שטח הרצפה הקטן שלו, מכשיר ה-LX7730 לוקח חלק פעיל בכמה בקרות לולאה סגורה הדרושות להפעלת לייזר מדויקת עם רמות הפרעות אלקטרומגנטיות נמוכות (EMI). הליכי כיול קבועים מפחיתים הסתחפויות תלויות אורך חיים וטמפרטורה ומבטיחים את הדיוק הנדרש של הערכים הדיגיטליים שהושגו.
יתרונות נוספים של ארכיטקטורת מערכת זו זמינים באמצעות מינוף הופעתה של ה-RISC-V ISA, שפתחה צוהר לעיבוד זול וגמיש במיוחד אותו ניתן לבצע באופן מקומי למקור הטלמטריה – דבר שמאפשר לרישום הנתונים, ניטור התקינות ובקרת העומסים להתבצע באופן אוטונומי במטען הייעודי, ולשחרר את מערכת המחשבים המרכזית בלוויין מנטל העיבוד של ניהול הטלמטריה ביחידות מטען מרוחקות. RISC-V הוא ISA פתוח שגם ההוראות שלו מוקפאות, דבר שמאפשר כמה יתרונות מרכזיים בעיצוב החלל. מכיוון שמערכת ההוראות מוקפאת, כל תוכנה שנכתבה עבור ליבת ה-RISC-V תפעל לנצח בכל מכשיר RISC-V. הדבר אידיאלי עבור יישומי חלל שבהם ניתן לעשות שימוש חוזר בבסיס קוד פעמים רבות בתוכניות רבות ושונות ולהימשך על פני עשרות שנים.
בנוסף, ה-ISA הפתוח מאפשר לספקים ליצור מעבדים רכים המותאמים לדרישות הספציפיות של הלקוחות. ליבות ה-RISC-V הרכות הללו יכולות גם הן לשתף את ה-RTL שלהן. הדבר עשוי להיות קריטי עבור עיצובים שבהם יש צורך בבדיקה כדי לאפשר לסמוך על יישומים בעלי מודעות לאבטחה. מעבדי RISC-V כבר שולבו במערכי שערים הניתנים לתכנות בשדה עמיד בפני קרינה (FPGA) ליישומי טיסה בחלל. ניתן להשתמש ב-FPGA המוגדר להטמעת מעבד RISC-V בכל מטען ייעודי למטרות עיבוד טלמטריה, ראשית לקריאת נתוני טלמטריה מה-IC הטלמטרי של אות מעורבב שהושג, ושנית לביצוע עיבוד וקבלת החלטות באמצעות נתונים ממכשיר האות המעורב, ושלישית לדיווח על מצב התקינות למחשב המרכזי בלוויין באמצעות פרוטוקול ערוץ הפיקוד המקובל. בדרך כלל משתמשים ב-FPGA ליישומי ערוצים סטנדרטיים לבקרת חלליות כגון Mil Std 1553, SpaceWire ו-CAN bus, וכן עבור פרוטוקולי ערוצים לא סטנדרטיים שקיימים במשלב הלוויין.
ניתן להטמיע מערכת איסוף טלמטריה מלאה באמצעות IC משולב ברמה גבוהה ו-FPGA שמשלב מעבד RISC-V. ניתן להדגים מערכת זו באמצעות הדגמת Six Sensor של Microsemi שעושה שימוש ב-RTG4 FPGA של החברה בסביבת RISC-V שמחובר באמצעות SPI לבקר הטלמטריה LX7730. בקר ה-IC משמש להשגת נתונים מרשת קטנה של חיישנים שמחוברת אליו, ומציג את הערכים שנמדדו על גבי מסך מחשב נייד באמצעות ממשק משתמש. ה-FPGA שולח את הכתובת, הנתונים וסיביות הקריאה/כתיבה של מסגרת ה- SPI אל ה-IC שמחזיר את נתוני ה-ADC ל-FPGA. לבסוף, ה-FPGA מבקש את קנה המידה הדרוש לפלט ה-ADC ושולח את הנתונים המוקטנים ל- GUI דרך UART.
הפתרונות האחרונים לאיסוף טלמטריה מפשטים מאוד את משימות רישום הנתונים ומפנים את המעבד הראשי למשימות אחרות. יחד עם זאת, רמות שילוב גבוהות של פונקציות האות המעורב מפחיתות באופן דרמטי את הגודל והמשקל הכללי של תת המערכת לרישום טלמטריה תוך הגברת אמינותה, ובכך עונות לשלוש דרישות קריטיות במערכות הלווין של ימינו.
