On Board Computer System, il cervello dei satelliti moderni

Il computer di bordo (On Board Computer) costituisce il cervello del velivolo spaziale. Esso è responsabile dell’implementazione della legge di controllo ed esecuzione delle operazioni associate al payload. Inoltre, si occupa di organizzare i dati in pacchetti, monitorare lo stato di salute del carico pagante, gestire e comunicare i dati. L’unità di elaborazione si interfaccia con diversi sensori e attuatori presenti a bordo per acquisire tutti i dati necessari e gestire tutti i processi. Esso deve garantire una esecuzione efficiente di tutte le attività ed evitare qualunque tipo di situazione di pericolo. Perciò, il processore deve essere caratterizzato da una tecnologia appropriata e da algoritmi di scheduling avanzati.

Il cervello, ruolo e responsabilità

Il termine “On Board Computer”, come facilmente intuibile, indica il processore presente a bordo di un satellite che fornisce capacità di elaborazione. Dunque, con tale termine indichiamo una unità di elaborazione in grado di controllare e implementare le funzioni vitali del velivolo spaziale. Tra le più importanti abbiamo controllo di assetto e orbita in condizioni nominali e non nominali, telecomunicazione ed esecuzione dei relativi comandi. Abbiamo poi raccolta e formattazione dei dati di housekeeping telemetry, sincronizzazione temporale dei sistemi di bordo, rilevazione, isolamento e riparazione dei guasti.

Sulla base di quanto detto, l’essenza dell’On Board Computer risiede nella scheda del processore. Tra i vari componenti abbiamo microprocessore, memorie volatili e non, ed interfacce che permettono la connessione del processore a varie periferiche esterne.

Capacità di calcolo e crescita esponenziale

La rapida crescita del mercato elettronico ha permesso alle industrie spaziali di poter utilizzare sistemi elettronici integrati a densità sempre maggiore. Così facendo, è stato possibile ottenere una benefica riduzione di volume, massa e potenza consumata. In particolare, secondo la legge di Moore il numero di transistor presenti in ogni chip raddoppia ogni pochi anni (valore rivisitato in diverse occasioni), conseguentemente le performance migliorano in maniera sensibile. Sebbene la frequenza di clock dei processori sembra stia raggiungendo un limite superiore, si cerca di ottimizzare le prestazioni utilizzando più processori per ogni chip. Così come accade per le applicazioni terrestri dove è ormai comune trovare dispositivi con ad esempio 4 o 8 processori.

Possiamo ripetere lo stesso discorso riguardo le applicazioni spaziali, con l’importante differenza che in tal caso i nuovi processori vengono utilizzati dopo diversi anni. Per questa ragione, è possibile registrare un miglioramento delle performance nei computer spaziali, tuttavia con un tasso inferiore rispetto a quanto accade qui in superficie. Insomma, possiamo quantificare un ritardo di circa 7 anni tra l’introduzione commerciale di un prodotto di questo tipo, ed il suo utilizzo come prodotto spaziale.

Organizzazione modulare dell’On Board Computer

Oggi, la soluzione adottata per i computer di bordo prevede solitamente una organizzazione di tipo modulare. Infatti, troviamo modulo di conversione e regolazione potenza, modulo di telecomunicazione, telemetria e sincronizzazione. Ed ancora modulo di riconfigurazione autonoma, modulo processore, moduli input/output, e un modulo backplane per una appropriata connessione dei vari moduli. Ovviamente, per questioni di affidabilità, i moduli appena citati saranno presenti in quantità ridondanti in maniera da poter garantire la tolleranza al singolo guasto.

Così come accade per qualsiasi altro sottosistema satellitare, l’architettura del computer di bordo sarà determinata anche dal tipo di missione e dagli obiettivi previsti. L’architettura tipica si sta evolvendo con il tempo. Peraltro, grazie allo sviluppo di circuiti integrati a densità elevata ed a basso consumo di potenza, sarà possibile ottenere cervelli di bordo più compatti e risparmiare kilogrammi preziosi.

Esempi di On Board Computer nel mercato globale

Riportiamo di seguito alcuni esempi di On Board Computer attualmente disponibili in mercato. Qualora vi venisse voglia di progettare uno spacecraft, saprete dove iniziare a cercare!

• Z7000-P3 di Space Inventor. Si tratta di un potente computer basato su tecnologia FPGA (Field Programmable Gate Array). Esso è dotato di processore dual core ARM Cortex A9 MPCoreTM con 125K celle programmabili. Si tratta di una scelta conveniente specie se si hanno requisiti di intensa elaborazione dati. Esso offre una vasta gamma di interfacce come LVDS e SpaceWire, così come interfacce più tradizionali quali CAN, UART, I2C. I dati generati dal payload possono essere conservati nella memoria di massa di 64 GB, mentre il sistema operativo può essere FreeRTOS o Linux. Per proteggere il computer dal pericolo radiazioni, la Space Inventor ha deciso di utilizzare un involucro di alluminio di 1.5 mm di spessore.

• Advanced On Board Computer di Sat Revolution. Questo computer di bordo avanzato consiste di una scheda madre caratterizzata da due unità di elaborazione con memoria esterna MRAM. Si tratta di un’unità avanzata utile a controllo e comunicazione payload e ad applicazioni che richiedono alta potenza di calcolo. Il processore principale può operare tra 8 e 16 MHz anche in modalità ultra-low power.

• MICROSATPRO and NANOSATPRO Space Qualified Processor Units di STM. STM produce On Board Computers ad alte prestazioni con elevata tolleranza al guasto e capacità di funzionamento in ambiente altamente ostile quale quello spaziale. Anche in questo caso abbiamo sistemi operativi che lavorano su processori basati su FPGA.

Tra i prodotti disponibili troviamo Microsatpro, ottimizzato per microsatelliti e progettato per essere operativo in orbita terrestre bassa per almeno 5 anni. Questa tipologia supporta le interfacce più comuni delle piattaforme microsatellitari quali RS485, CAN, SpaceWire, SPI, I2C. Abbiamo poi Nanosatpro, ottimizzato per nanosatellite e progettato per operare in orbita terrestre bassa (LEO) per almeno 2 anni. Anche in tal caso il computer supporta tutte le interfacce tradizionali.