Carga òtil do satŽlite

NanoSatC-BR1

 

 

Parte da carga œtil do primeiro nanossatŽlite brasileiro, NanoSatC-BR1, foi projetada no laborat—rio de pesquisa do Instituto de Inform‡tica da UFRGS sob coordena�‹o da professora Fernanda Lima Kastensmidt. O objetivo Ž qualificar o uso de processadores embarcados em FPGA comercial para uso em aplica�›es espaciais.  A carga œtil contŽm a descri�‹o de um processador de 32-bits baseado na arquitetura MIPS com software protegido contra erros provenientes de radia�‹o sintetizado em um circuito FPGA ProASIC3E programado por memoria Flash. As tŽcnicas de prote�‹o usadas no software foram desenvolvidas durante o doutorado do aluno Jose Rodrigo Azambuja, orientado pela professora Fernanda, cuja tese foi defendida em Setembro de 2013 no PPGC. A integra�‹o do processador e interfaces de comunica�‹o com o computador de bordo do satŽlite e controle dos demais circuitos da carga œtil foi de responsabilidade do aluno de mestrado do PGMICRO William Do Nascimento Guareschi, orientado pelo professor Ricardo Reis.  A metodologia de teste foi desenvolvida e realizada pelo aluno de doutorado do PGMICRO Lucas Tambara, orientado pela professora Fernanda Lima Kastensmidt.

 

O satŽlite NanoSatC-BR1, de um litro de volume, foi lan�ado com �xito no dia 19 de junho de 2014 ˆs 16h hor‡rio de Bras’lia. O lan�amento ocorreu na esta�‹o espacial localizada em Yasny, no sul da Rœssia. O nanossatŽlite universit‡rio NanoSatC-BR1 foi colocado em —rbita a bordo do foguete Dnepr, de origem ucraniana, que levar‡ outros 36 satŽlites para o espa�o. Os coordenadores do projeto s‹o o professor da UFSM e pesquisador do Centro Regional Sul do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), localizado em Santa Maria, Dr. Nelson Jorge Schuch, e o pesquisador da sede do Inpe em S‹o JosŽ dos Campos Dr. Ot‡vio Santos Cupertino Dur‹o. A comunica�‹o com o satŽlite da base do INPE em Santa Maria j‡ foi realizada com sucesso.

Nas pr—ximas semanas estaremos j‡ recebendo os dados da carga œtil.

P‡gina do Projeto: http://www.inpe.br/crs/nanosat/index.php

O satŽlite em —rbita: http://www.qsl.net/py4zbz/nscbr1.htm

Ele est‡ formalmente no cat‡logo de satŽlites globais do NORAD, como pode ser visto em http://www.satview.org/br/index.php.

E suas —rbitas, em qualquer ponto do globo, pode ser acompanhadas em:

http://www.satview.org/br/5d.php?sat_id=40024U.

 

 

O satŽlite possui tr�s cargas œteis: um magn™metro para utiliza�‹o dos seus dados pela comunidade cient’fica; um circuito integrado resistente ˆ radia�‹o projetado pela Santa Maria Design House (SMDH) ligado a Funda�‹o de Apoio ˆ Tecnologia e Ci�ncia (FATEC) e UFSM; e um hardware em FPGA, que deve suportar as radia�›es no espa�o em fun�‹o de um software desenvolvido pelo Instituto de Inform‡tica da Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS).

 

O objetivo da carga œtil Ž qualificar o uso de processadores embarcados em FPGA para uso em aplica�›es espaciais.

 

á      FPGA alvo: FPGA comercial ProASIC3 da empresa Microsemi program‡vel por mem—ria do tipo Flash.

á      Processador alvo: MIPS 32-bits

á      Programa alvo: multiplica�‹o de matrizes

á      Software tolerante a falhas: uso de redund‰ncia de vari‡veis e assinaturas operando em paralelo com watch-dog dedicado a detectar erros no funcionamento do processador.

 

Etapa 1:

Conhecendo o modelo de engenharia do satŽlite no INPE.

Nesta etapa foi avaliado o espa�o f’sico para a carga œtil, potencia m‡xima a ser utilizada e interfaces e protocolos para comunica�‹o com o computador de bordo.

 

Etapa 2:

Defini�‹o da carga œtil e constru�‹o do prototipo no laboratorio da UFRGS.

 

A carga œtil conta com um circuito program‡vel FPGA programado por mem—ria Flash da empresa Microsemi (PROASIC3E).

Neste FPGA, foram embacados: um processador soft-core baseado na arquitetura do processador MIPS de 32-bits, memorias, watch-dog, blocos de interface e comunica�‹o SPI, controle e ger�ncia de outros circuitos como o circuito integrado da UFSM e Design House de Santa Maria  e magnet™metro.

 

 

 

Etapa 3:

Carga œtil final integrada no satŽlite contendo o FPGA PROASIC3E e os demais circuitos integrados.

 

SatŽlite NanoSatC-BR1

Os testes finais ocorreram no INPE em S‹o Jose dos Campos com a montagem do modelo de engenharia e o de voo com a placa final da carga œtil.

 

 

LAN‚AMENTO:

 

O lan�amento aconteceu em um foguete modelo RS-20 (Dnepr Launch Vehicle) com outros 32 satŽlites. Esse lan�amento tornou-se um recorde no numero de cargas œteis lan�adas no espa�o em uma mesma miss‹o, que inclui 33 satŽlites de 17 pa’ses diferentes, incluindo o Brasil.  Todos os satŽlites foram posicionados com sucesso nas suas —rbitas.

 

EQUIPE da UFRGS no projeto da Carga œtil do NanoSatC-BR1:

 

Professores:

 

-       Fernanda Gusm‹o de Lima Kastensmidt: Ž professor associado da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Tem experi�ncia na ‡rea de Ci�ncia da Computa�‹o, com �nfase em Hardware, atuando principalmente nos seguintes temas: tŽcnicas de prote�‹o contra radia�‹o, tolerante a falhas, arquitetura program‡vel, FPGAs tolerantes a radia�‹o.  ƒ autora do livro Fault Tolerance Techniques for SRAM-based FPGAs publicado em 2006 pela editora Springer.

 

 

-       Ricardo Reis:  Ž professor titular da Universidade Federal do Rio Grande do Sul, coordenador do Programa de P—s-Gradua�‹o em Microeletr™nica, ex-vice-presidente da IEEE Circuits and Systems Society. Ex-presidente da Sociedade Brasileira de Computa�‹o. Chair do TC10 da IFIP. Pesquisador n’vel 1A do Conselho Nacional de Desenvolvimento Cient’fico e Tecnol—gico. Tem experi�ncia na ‡rea de Computa�‹o, com �nfase em Microeletr™nica, atuando principalmente nos seguintes temas: Microeletr™nica, CAD, Physical Design, VLSI Design, VLSI CAD, Projetos de Chips Tolerantes a Efeitos da Radia�‹o.

 

Alunos de P—s-Gradua�‹o:

 

-       William Do Nascimento Guareschi, aluno mestrado, PGMICRO, UFRGS. (orientador: Ricardo Reis)

Respons‡vel pelo desenvolvimento de todo o sistema integrado no FPGA, integra�‹o com as interfaces e protocolos de comunica�‹o.

 

-       JosŽ Rodrigo Azambuja, aluno doutorado, PPGC, UFRGS. (orientador: Fernanda Lima Kastensmidt)

JosŽ Rodrigo Ž atualmente professor na Universidade Federal de Rio Grande (FURG)

Respons‡vel pelas desenvolvimento e implementa�‹o das tŽcnicas de prote�‹o usadas no software do MIPS e teste das mesmas.

 

-       Lucas Tambara, aluno doutorado, PGMICRO, UFRGS.(orientador: Fernanda Lima Kastensmidt)

Respons‡vel pela metodologia de teste da integra�‹o com a implementa�‹o do protocolo do computador de bordo em placa de prototipa�‹o com o ARM para controle, teste e comunica�‹o com a carga œtil nas etapas de desenvolvimento em laborat—rio.

 

PUBLICA‚ÍES:

 

   O FPGA comercial usado na carga œtil foi testado sob dose acumulada (TID) no IEAv em S‹o Jose dos Campos e falhas transientes sob radia�‹o usando acelerador de part’culas. Assim como a tŽcnica de toler‰ncia em software aplicada no processador MIPS tambŽm foi testada sob inje�‹o de falhas no laborat—rio do Instituto de Inform‡tica e sob radia�‹o durante o projeto usando acelerador de part’culas.

 

Diversos artigos relacionados foram publicados ao longo do projeto.

 

GUARESCHI, WILLIAM ; AZAMBUJA, JOSE ; Kastensmidt, Fernanda ; REIS, Ricardo ; DURAO, OTAVIO ; SCHUCH, NELSON ; DESSBESEL, GUSTAVO . Configurable test bed design for nanosats to qualify commercial and customized integrated circuits. In: 2013 IEEE Aerospace Conference, 2013, Big Sky. 2013 IEEE Aerospace Conference. v. 1. p. 1-7.

 

Azambuja, JosŽ Rodrigo ; Altieri, Mauricio ; Kastensmidt, Fernanda Lima ; Becker, JŸrgen . HETA: Hybrid Error-Detection Technique Using Assertions. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 60, p. 1-8, 2013.

 

CHIELLE, E. ; AZAMBUJA, J. R. ; Barth, Raul Sergio ; Almeida, Felipe ; KASTENSMIDT, F. L. . Evaluating Selective Redundancy in Data-Flow Software-Based Techniques. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 60, p. 1-8, 2013.

 

Azambuja, JosŽ Rodrigo ; Pagliarini, Samuel ; Altieri, Mauricio ; Kastensmidt, Fernanda Lima ; Hubner, Michael ; Becker, JŸrgen ; Foucard, Gilles ; Velazco, Raoul . A Fault Tolerant Approach to Detect Transient Faults in Microprocessors Based on a Non-Intrusive Reconfigurable Hardware. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. 59, p. 1117-1124, 2012.

 

KASTENSMIDT, F. L. ; CHIPANA, R. ; GONCALEZ, O. L. ; Junior, E. ; VAZ, R. G. . TID in Flash-based FPGA: Power Supply-current Rise and Logic Function Mapping Effects in Propagation-delay Degradation. IEEE Transactions on Nuclear Science, v. PP, p. 1-8, 2011.

 

 

 

 

Fernanda Lima Kastensmidt 
Professor Associado do Instituto de Informatica
Universidade Federal do Rio Grande do Sul (UFRGS)
Porto Alegre - RS – Brasil
www.inf.ufrgs.br/~fglima 
fglima (at) inf.ufrgs.br 
+55 51 3308-7036