Bezpieczeństwo elektroniki jako fundament misji kosmicznych

Jedna pomyłka w projekcie elektroniki może dziś unieważnić całą misję kosmiczną. Przy rosnącej złożoności systemów satelitarnych i braku możliwości jakiejkolwiek interwencji po starcie, to właśnie układy cyfrowe stały się jednym z głównych źródeł ryzyka technicznego, finansowego i operacyjnego dla europejskich programów kosmicznych.

W erze „New Space” awaria elektroniki nie jest wyłącznie problemem technicznym

Staje się ryzykiem systemowym dla całych misji, programów instytucjonalnych i budżetów liczonych w setkach milionów euro. Miniaturyzacja, skracanie cykli rozwojowych i presja kosztowa sprawiają, że elektronika trafiająca na orbitę jest coraz bardziej złożona, a jednocześnie projektowana w warunkach ograniczonego czasu i zasobów. W przestrzeni kosmicznej nie istnieje pojęcie „poprawki po wdrożeniu”: nie ma opcji „resetu”, nie ma możliwości serwisu, nie ma też drugiej próby. Każdy błąd logiczny, projektowy lub walidacyjny pozostaje z systemem na zawsze, a jego koszt ujawnia się dopiero wtedy, gdy jest już za późno na reakcję.

Sposób projektowania elektroniki decyduje o przewadze technologicznej

System zaprojektowany z myślą o adaptacji i możliwości dostosowania do zmieniających się zadań w trakcie trwania misji staje się nie tylko bardziej odporny, ale również strategicznie niezależny. W tym kontekście architektury oparte na układach FPGA nabierają szczególnego znaczenia: umożliwiają rekonfigurację funkcji i parametrów działania w odpowiedzi na nowe wymagania, bez konieczności wymiany sprzętu. Elastyczność projektowa, zdolność do ewolucji systemu w czasie oraz kontrola nad własną architekturą stanowią dziś fundament suwerenności technologicznej i długoterminowej użyteczności misji kosmicznych.

Innowacja w parze ze zdolnością do kontrolowanej adaptacji

Nie jest to proces oczywisty ani automatyczny. Możliwość modyfikowania funkcji systemu w trakcie jego cyklu życia nie wynika z samej ambicji projektu, lecz z architektury elektroniki przyjętej na samym początku. To właśnie układy FPGA otwierają realną przestrzeń do adaptacji. Pozwalają tworzyć wyspecjalizowane funkcje sprzętowe, których nie ma w gotowych rozwiązaniach rynkowych, a tym bardziej w ich wersjach radiation-tolerant. Dzięki temu możliwe staje się projektowanie unikalnych „chipów logicznych” dopasowanych do konkretnego zadania misji, zamiast ograniczania się do dostępnych komponentów katalogowych. Europejska Agencja Kosmiczna oraz firmy współpracujące stoją dziś przed wyzwaniem optymalizacji kosztów bez kompromisów w zakresie minimalizacji ryzyka i niezawodności. Z jednej strony rośnie ambicja misji: więcej autonomii, więcej przetwarzania na orbicie, bardziej zaawansowane instrumenty i większa integracja systemów. Z drugiej, realia harmonogramów i łańcuchów dostaw wymuszają szybsze iteracje i większą dyscyplinę budżetową. W praktyce oznacza to, że ciężar odpowiedzialności przesuwa się do elektroniki cyfrowej: układów FPGA i SoC, które sterują platformą, obsługują ładunki użyteczne, zarządzają łącznością i coraz częściej wykonują obliczenia, które jeszcze niedawno realizowano wyłącznie na Ziemi.

Im większa złożoność systemów mniejsza tolerancja na błąd

Środowisko kosmiczne charakteryzujące się promieniowaniem, cyklami termicznymi, wieloletnim czasem pracy bez możliwości interwencji, nie wybacza uproszczeń w procesie projektowania i weryfikacji. Dodatkowo wiele komponentów klasy space-grade jest drogich, trudno dostępnych i w części przypadków jednorazowo programowalnych. Błąd popełniony w fazie rozwoju nie oznacza jedynie konieczności poprawki w kodzie, lecz realne straty sprzętowe, opóźnienia programowe i ryzyko utraty okna startowego. W tym kontekście niezawodność i skalowalność architektury elektronicznej nie mogą być traktowane jako etap końcowy projektu ani jako efekt testów integracyjnych. Muszą być integralnym elementem całego cyklu życia systemu – od pierwszej linii kodu HDL, przez analizę i symulację, aż po prototypowanie sprzętowe i walidację zgodną z rygorystycznymi normami bezpieczeństwa.

Firma Aldec, działająca od 1984 roku w obszarze Electronic Design Automation, koncentruje się na narzędziach do projektowania, weryfikacji i prototypowania układów FPGA, ASIC i SoC, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowań o znaczeniu krytycznym. Skupia się na obszarach, w których błędy są najdroższe i najtrudniejsze do usunięcia: funkcjonalnej weryfikacji, analizie statycznej, prototypowaniu sprzętowym oraz wsparciu procesów zgodności dla systemów safety-critical, w tym projektów realizowanych zgodnie z wymaganiami DO-254.

Zaawansowane środowiska symulacyjne

Proces projektowy musi zaczynać się od weryfikacji, jeszcze zanim projekt trafi na płytkę, a tym bardziej zanim zostanie „zamknięty” w sprzęcie lotnym. Kluczową rolę odgrywają tu zaawansowane środowiska symulacyjne, umożliwiające:

• analizę złożonych systemów cyfrowych,
• pracę na mieszanych językach opisu sprzętu,
• wczesne wykrywanie błędów logicznych i integracyjnych.

Takie podejście pozwala przenieść wykrywanie problemów do fazy, w której ich usunięcie nie generuje jeszcze kosztów sprzętowych ani ryzyka dla harmonogramu misji. Uzupełnieniem symulacji jest analiza statyczna projektów RTL, pozwalająca identyfikować potencjalnie krytyczne sytuacje jeszcze przed wykonaniem prototypu oraz potwierdzać i utrzymywać jakość kodu. W szczególności dotyczy to problemów związanych z domenami zegarów, resetami czy maszynami stanów. W systemach kosmicznych są to klasy usterek, które po starcie misji bywają praktycznie niemożliwe do zdiagnozowania lub obejścia.

– W projektach kosmicznych nie chodzi o to, by znaleźć wszystkie błędy. Chodzi o to, by znaleźć je wtedy, gdy system wciąż daje się kontrolować – powiedział Wojciech Żebrowski, CTO w Aldec.

– Wczesna weryfikacja decyduje nie tylko o niezawodności technicznej, ale również o przewidywalności kosztów i harmonogramu całej misji – dodał Michał Kwiatkowski, CBD w Aldec.

Prototypowanie – jeden z kosztowniejszych etapów rozwoju elektroniki kosmicznej

Układy FPGA klasy space-grade, w szczególności komponenty radiation-tolerant (RT) i radiation-hardened (RH), a także rozwiązania jednorazowo programowalne typu anti-fuse, wymagają stosowania:

• restrykcyjnych norm projektowych,
• rygorystycznych procedur kwalifikacyjnych,
• ścisłej kontroli jakości.

Każda pomyłka na tym etapie oznacza fizyczną utratę komponentu oraz ryzyko opóźnień całego projektu. Dlatego coraz większe znaczenie mają rozwiązania umożliwiające realistyczne prototypowanie bez użycia docelowych układów lotnych. Adaptery prototypowe kompatybilne z architekturą i obudową docelowych komponentów pozwalają inżynierom testować i iterować projekt w rzeczywistym środowisku sprzętowym, zanim zostanie on przeniesiony na jednorazowo programowalny układ przeznaczony do lotu. Takie podejście bezpośrednio przekłada się na redukcję ryzyka oraz realne oszczędności w budżetach misji.

Systemy kosmiczne i przetwarzanie na orbicie

Coraz większą rolę odgrywa przetwarzanie danych na orbicie, autonomia i integracja algorytmów, które wcześniej funkcjonowały wyłącznie w segmencie naziemnym. Wymaga to platform umożliwiających jednoczesny rozwój i weryfikację sprzętu oraz oprogramowania, opartych na heterogenicznych architekturach łączących procesory i logikę programowalną. Platformy prototypowe tego typu pozwalają zespołom projektowym szybciej przechodzić od koncepcji do systemów gotowych do integracji, bez rezygnacji z kontroli nad zachowaniem czasowym, deterministyką i niezawodnościąm, czyli cechami kluczowymi dla misji kosmicznych.

Inwestycje w kompetencje i narzędzia do bezpiecznego projektowania

W szerszej perspektywie presja charakterystyczna dla „New Space” będzie narastać. Systemy staną się jeszcze bardziej złożone, a jednocześnie oczekiwania dotyczące skracania cykli rozwojowych i kontroli kosztów nie znikną. Dla Europy oznacza to konieczność inwestowania nie tylko w same platformy kosmiczne, lecz także w kompetencje i narzędzia umożliwiające bezpieczne projektowanie elektroniki. Suwerenność technologiczna nie kończy się na posiadaniu własnych satelitów. Obejmuje również kontrolę nad procesami projektowania, weryfikacji i walidacji systemów, które decydują o powodzeniu misji.