美国国家航空航天局(NASA)技术

NASA以使用模拟软件设计航天器、预测卫星轨道和训练宇航员而闻名。但是建模和仿真是强大的工具,可以在任何地方产生有价值的信息,它们可以应用。在2010年代早期,喷气推进实验室(JPL)的一个小组成功地使用仿真软件对一个假设的航天器上所有子系统之间的数据传输、存储和处理进行建模。该团队希望预测一种可能替代过时、低效的航天器数据网络的性能。

围绕墙捆绑在墙上,因为三个人正在连接它们
电缆生产NASA空间发射系统的核心级,将飞行指导航空电子连接到Orion胶囊,地面控制和其他系统。NASA对高速机载电子和通信网络的需求推动了串行RapidIO通信协议的采用,但只有在航天局资助Mirabilis Design开发串行RapidIO标准的计算机模拟之后。

但他们自己做不到。相反,他们帮助现有的商业软件模拟了一种正在迅速成为太空社区和更远地方流行的通信协议,即RapidIO。

计算机通信协议是一组定义计算机内部或计算机之间通信系统(称为数据网络)的物理和功能质量的标准。航天器数据总线传统上是根据军方在20世纪70年代中期为航空电子设备建立的协议设计的,被称为1553协议,该协议导致网络能够每秒处理大约1兆比特的数据。SpaceWire是20世纪90年代早期开发的一种网络标准,它提供更高的速度——高达每秒250兆比特,但缺乏1553标准所提供的容错性和可预测性。然而,到21世纪初,未来的太空探索需要的互连技术带宽可达每秒10千兆比特,甚至更高。

因此,2010年左右,JPL的内部研发计划资助了一个为期三年的项目来探索替代方案。

喷气推进实验室自动系统部门的首席技术专家拉斐尔·索姆说:“我们的任务是寻找所有可用的商业标准,从头开始会很困难,而且不会被接受。”他曾在中心领导这项工作,后来又在多个政府机构和商业行业领导这项工作。该小组评估了14种不同的网络标准,将其缩小到4种,最终确定了串行RapidIO,一种开源协议。

与其他候选者相比,Serial RapidIO提供了可扩展的带宽,从每秒几千兆字节到每秒100千兆字节甚至更高。它所提供的功能具有最低的复杂性,包括实现的灵活性、多种数据传输类型、高级别的容错、以太网和其他消息包的容易封装以及卓越的功率效率。作为一个开放的标准,它也是免版税的。

但标准需要增强以满足空间的需求,因此JPL希望一种方法来模拟其性能并尝试修改,比在实验室中的建设和重新排列实际的航空电子系统更便宜。

JPL研究员Yutao He,协议评估贸易研究的首席研究员,寻找基于软件的建模和仿真,可能提供一个解决方案,并最终选择了一个名为VisualSim的软件。VisualSim是由位于加州森尼维尔的Mirabilis设计公司开发的,它模拟电子和网络系统。

“它包括一个在航空电子系统中常用的成分组件库,可以根据需要量身定制,以便以低成本满足我们的技术需求,”他说。并且该软件能够提供高级分析,以模拟系统的整体行为,并寻找瓶颈,或者可以钻取并将工作负载钻取并在各个组件上进行模拟。它可以计算对NASA空间任务尤为重要的详细的,完整的功耗值。

技术转让

JPL与Mirabilis合作,建立一个VisualSim库,模拟基于串行的Spacio的航天器航空电子设备进行研究。

“我们给了他们的要求,我们想要的功能,他们在技术和商业方面非常支持,”他说。随着JPL开始使用该软件,该公司为其项目提供了技术支持和折扣许可费。

Mirabilis创始人Deepak Shankar将VisualSim描述为具有标准硬件组件库的图形环境,每个组件都有自己的一组属性,以及用户可以使用属性和参数自定义的通用块。也可以插入模拟软件,调度员,接口和其他组件。一旦建立了一个系统,他说,“离散事件模拟器模拟了实时发生的事情,而何时模拟。”

在卫星的示例中,他说,系统可能在启动期间在一个模式下在初始轨道中的另一个模式下运行,然后在初始轨道中的另外两种模式。“我们将这些行为映射到卫星硬件平台上,并为这组用例提供了最佳配置的推荐。”

根据RapidIO协议完成所有这一切的能力现在是VisualSim的一个标准特性。

好处

RapidIO通信协议由一家非营利性公司设计和控制,目前已被用于数据中心、超级计算、通信和自动化等行业。

Some说:“太空飞行的核心就是低功率、低复杂度的高速飞行,RapidIO在这方面做得最好。”他还补充说,RapidIO的设计也高度可靠,并与从铜线到光纤的不同类型的网络兼容。

VisualSim公司的RapidIO模拟电缆连接着NASA太空发射系统的核心阶段,将飞行制导航空电子设备与猎户座太空舱、地面控制和其他系统连接起来。NASA对高速机载电子和通信网络的需求推动了串行RapidIO通信协议的采用,但只有在航天局资助Mirabilis Design开发串行RapidIO标准的计算机模拟之后。
VisualSim的Rapidio仿真的此屏幕截图显示了通过串行Rapidio通信协议连接的多种不同配置的计算机。底部的图形显示在各个计算机上处​​理的数据量。点击这里放大图像

在JPL成功建模整个假设的航天器网络后,使用Mirabilis开发的VisualSim Rapid IO模型,空军研究实验室的一些和代表召集了一份联合政府行业工作组,讨论了航天器互连协议。该研讨会导致形成下一代航天器互连标准(NGSI),随后加入了Rapidio Trade Consably,并开发了空间和苛刻的环境串行Rapidio标准。NGSIS还加入了另一种努力开发空间系统电子产品标准的交易协会。

“将物理电子包装标准与串行Rapidio相结合,为整个行业采用的下一代航天器航空电子设备提供了可互操作的标准,”一些人说。

山马尔说,美国宇航局的参与导致串行Rapidio标准本身改进了串行Rapidio标准本身,例如将其调整到较长的速度,增加速度,可靠性和准确性。该项目还通过实验JPL RAN,在空间和高可靠性市场中,对空间和高可靠性市场进行了更多的商业关注,展示了议定书的高吞吐量,低延迟和其他效率。“在我们开始这个之后,很多人都带着Rapidio滚动,”他说。

“我们正在搬家使用Rapidio作为将被纳入航天器的基本互连,”有人说。

它只是众多标准之一VisualSim可以模拟,但添加它帮助扩展了软件的客户群,Shankar Notes。“我们拥有的图书馆越多,我们可以访问的客户越多。”随着Rapidio的各个方面纳入其他标准,“人们要求我们建模他们,因为我们从一开始就有。”

他说,美国宇航局,国防部和其他联邦机构及其承包商是VisualSim的首要用户的Rapidio能力之一。

VisualSim RapidIO的其他用户还包括用于半导体制造的光刻设备的设计人员,这种设备运行有许多互连处理器板的大型系统。构建移动电话基础设施的公司已经加入进来,希望将RapidIO结构整合到其芯片上的数据信号处理器的计算机芯片制造商也加入进来。

同时,美国宇航局和空军正在处理另一个联合项目,为高性能空间计算的要求定义。处理器将使用最新版本的串行Rapidio进行操作。