Мозги космического корабля «Вояджер»: компьютеры управления, данных и управления положением
Как космический корабль «Вояджер» ориентируется в пространстве и координирует свои системы »// www.allaboutcircuits.com/news/voyager-mission-anniversary-celebration-introduction/« target = "_ blank"> Введение
Запущенные в 1977 году датчики Voyager 1 и 2 были как передовыми технологиями для своего времени. Компьютеры в основе их операций состояли из трех систем, каждая из которых имела двойную избыточность, которые работали вместе, чтобы позволить зондам путешествовать по Юпитеру, Сатурну и за его пределами: компьютерная командная система (CCS), подсистема данных полетов (FDS), а также Система управления отношениями и артикуляцией (AACS).
Удивительно то, что даже после четырех десятилетий путешествия по суровой, иногда непредсказуемой окружающей среде, оба зонда продолжают функционировать и возвращаются домой с новыми знаниями и данными. Требуется больше времени и дольше, чтобы иметь возможность общаться и загружать новые подпрограммы в зонды, но факт, что все еще возможен с технологией из ушедшей эпохи, является свидетельством качества техники, введенной в эти космические аппараты.
История о том, как компьютеры Voyager приобрели форму, является увлекательной. Объединившись во время сокращения бюджета НАСА после того, как волна эпохи Аполлона исчезла, и преодолевая проблемы, с которыми еще не сталкивались инженеры в изучении некоторых из самых интересных мест в нашей солнечной системе, детали, несомненно, дадут большую оценку компьютерам Voyager.
Разработка и управление
Процесс разработки и управления компьютерным оборудованием и программным обеспечением может быть не самой захватывающей частью процесса, но он невероятно важен для конечного результата.
Одним из первых проектных решений, сделанных в отношении компьютеров Voyager, было использование компьютерной системы управления Viking (CCS). Это не только удовлетворило предложение о стандартизации компьютерной системы, но также стало подспорьем в сокращении бюджета НАСА после миссий «Аполлон» в 1970-х годах. Беспилотные исследования космоса стали гораздо менее приоритетными в течение этого времени, и поэтому сохранение низких уровней затрат было важно для того, чтобы продолжить общий проект.
Память CCS Viking. Изображение предоставлено NASA
Новые элементы для общих компьютеров Voyager будут представлять собой систему данных полетов (FDS) и систему управления соразмерностью положения (AACS). CCS будет отвечать за управление командами и памятью FDS и AACS, что потребовало добавления процедуры MEMLOAD (для загрузки памяти, как подразумевалось) и подпрограммы AACSIN для мониторинга работоспособности AACS.
Каждая компьютерная система на космическом корабле «Вояджер» была двукратной - было два CCS, два FDS и два AACS. CCS обычно оставался на постоянной основе, но FDS обычно работает только по одному, и AACS будет работать только один за раз. Идея заключалась в том, что регулярное покорение компьютерных систем, не активно используемых, помогло бы продлить срок службы систем.
Voyager CCS и Viking CCS в конечном итоге будут иметь одинаковый объем памяти (чуть менее 70 КБ), несмотря на то, что программы и программы для Voyager были намного сложнее. Программирование в полете позволяло регулярно загружать новые программы и программы в энергонезависимой памяти и устранять необходимость в больших объемах памяти на борту.
Исходное программное обеспечение для зондов Voyager было написано с использованием Fortran 5, затем перенесено на Fortran 77, и сегодня есть некоторый портинг в C. Низкоуровневое, легкое программное обеспечение приобретает все большее значение, поскольку зонды движутся все дальше и дальше от Земли и коммуникации становится медленнее.
На стороне управления компьютерной системы Voyager также были внесены некоторые изменения в типичную структуру; H. Kent Frewing, инженер-программист космических аппаратов, будет руководить инженерами, отвечающими за каждую компьютерную систему, и до четырех программистов будут работать вместе над проектом сразу. Команда разработчиков бортового программного обеспечения была составлена для руководства разработкой программного обеспечения, а проверка программного обеспечения была завершена Лабораторией демонстрации возможностей. После того, как начальное программное обеспечение было разработано, аппаратное обеспечение, которое было настроено в той же конфигурации, которая будет использоваться на борту космического корабля, затем будет использоваться для тестирования и продолжения разработки.
Компьютерная командная система
Как упоминалось ранее, Voyager CCS будет почти идентичен Viking CCS с некоторыми изменениями, позволяющими взаимодействовать с FDS и AACS. Viking CCS была первой резервной компьютерной системой, реализованной JPL (Лаборатория реактивного движения NASA), с относительно простым дизайном, который позволил значительно увеличить вычислительную мощность.
У VKS CCS было два варианта: источники питания, процессоры, буферы, входы и выходы. Каждый элемент CCS был перекрестно привязан, что допускало избыточность «одиночной отказоустойчивости», так что, если одна часть одного CCS потерпела неудачу, он мог бы использовать оставшуюся оперативную в другом.
CCS также может работать в трех режимах: индивидуально (каждый CCS завершает задачи независимо друг от друга), параллельно (оба CCS работают над задачей вместе) или тандем (каждый CCS работает над одной и той же задачей независимо). Во время ближайших столкновений с мишенями (Юпитер, Сатурн и т. Д.) CCS будет находиться в тандемном режиме.
Блок-схема для Viking и Voyager CCS. Изображение предоставлено NASA
CCS отвечает за управление общими операциями, включая последовательность программ, мониторинг работоспособности зондов, связь с другими компьютерами и загрузку программ в память.
Оба модуля CCS в двойной резервной системе будут работать непрерывно. Это позволило увеличить возможности обработки и стало приобретать все большее значение при встречах с Юпитером, Сатурном, Ураном и Нептуном для сбора данных.
На архитектурном уровне процессоры CCS содержали интерпретатор команд, управление каналом данных и регистры (18-разрядный аккумулятор, 12-разрядный регистр каналов, 12-разрядный программный счетчик, регистр с 4-разрядным кодом состояния), который работал в последовательном режиме. Инструкции были 18-битовыми словами, с наиболее значимыми 12-битными адресами (4k прямой адресации) и наименее значимыми 6-битами, содержащими коды операций (64 инструкции).
Система данных полета
FDS - это то, где инженерные и научные данные были собраны, отформатированы и сохранены на пробниках Voyager и где была собрана вся телеметрия. Разработка FDS началась с выпускного документа, в котором описывались общие требования FDS, а также компромиссы и преимущества аппаратной или программной реализации, включая функции, которые лучше всего работают в каждом из них.
Одним из наиболее важных соображений для FDS была скорость ввода / вывода данных. По мере того, как датчики и оборудование для сбора данных становились все более сложными, разрешение информации, которую оно должно было передавать, увеличивалось. В зондах Voyager, если это возможно, данные будут передаваться с высокой скоростью обратно на Землю. Однако, если эта скорость не может быть достигнута (например, если она не могла связаться со станцией слежения), данные сохранялись на магнитных лентах. Эти магнитные ленты все еще используются повторно для сбора и передачи данных на борту зондов сегодня, когда они плывут через межзвездное пространство.
Voyager FDS. Изображение предоставлено NASA
Voyager FDS станет первым компьютером с космическим полетом для использования энергозависимой памяти CMOS. Это был большой шаг, поскольку это была довольно новая технология, и, если бы власть была потеряна для ИС на мгновение, вся память тоже была бы потеряна. Однако прямая линия от генераторов радиоизотопов, обеспечивающая постоянный ток, использовалась для обеспечения того, чтобы ИС КМОП никогда не теряли энергию, если только что-то не произошло с генераторами. Было решено, что, если что-то случилось с генераторами, которые сделали их неработоспособными, в любом случае вряд ли понадобится FDS.
CCS и FDS были разработаны отдельно из-за скорости ввода / вывода, требуемой FDS, даже если вычислительно они могли бы быть легко интегрированы вместе. Однако пробники Voyager были последними зондами, построенными JPL, чтобы сохранить эти функции отдельно. FDS, как и CCS, программируется в полете, что позволяет оптимизировать или изменять.
Система управления отношением и артикуляцией
AACS зондов Вояджера определяют ориентацию, удерживая ее в направлении Земли. Первоначальной целью дизайнеров было использование новой технологии под названием «HYSPACE» (гибридная программируемая электроника управления положением) для AACS. Интегрированные аналоговые и цифровые элементы HYSPACE, используемая адресация индексного регистра и 4-байтовая последовательная архитектура. Это позволило использовать один и тот же код для всех трех осей AACS.
Тем не менее, в команде было наложено давление на повторное использование Viking CCS для управления ориентацией, поскольку оно было способным и сокращало затраты на разработку новой системы с нуля.
В конце была использована модифицированная версия CCS, с некоторыми элементами HYSPACE, включенными для получения преимуществ адресации индексного регистра. В документации AACS по-прежнему упоминается как HYSPACE, хотя это его модификация.
AACS имеет четыре подпрограммы, которые могут быть выполнены: шаговые двигатели платформы сканирования, приводы маховика, законы управления ориентацией и логика двигателя. AACS также посылает «сердцебиение» в CCS через регулярные промежутки времени.
Вывод
Уникальный климат во время разработки зондов Voyager значительно сформировал общий результат использования компьютерных систем. Повторное использование проектов и их модификация для сокращения затрат, оптимизации использования ограниченной памяти и максимальной скорости без увеличения потребности в электроэнергии по-прежнему остаются проблемами современных космических проектов.
Тем не менее, невероятно впечатляет то, что команда компьютеров Voyager не только выходила из недорогих, эффективных и мощных вычислительных мощностей, но все их передовые мышления и умная инженерия позволили обоим зондам продолжать работать, ожидая, что они сделают это в течение по крайней мере еще одного десятилетия.
источники
- //history.nasa.gov/computers/Ch6-2.html
- //history.nasa.gov/computers/Ch5-6.html
- //www.wired.com/2013/09/vintage-voyager-probes/
- //users.cecs.anu.edu.au/~Jonghyuk. Kim/teaching/KF%20Voyager.pdf
Рекомендуемое изображение предоставлено NASA