La tecnologia VNX nelle applicazioni spaziali

Dalla sempre più crescente richiesta di satelliti LEO (Low Earth Orbit) per applicazioni comuni e a bassi livelli orbitali, come ad es. CubeSats, SmallSats, MicroSats e altri piccoli satelliti, scaturisce la necessità di realizzare sistemi elettronici spaziali meno costosi rispetto ai “sistemi spaziali ereditati” fin d’ora impiegati. I sistemi spaziali ereditati sono essenzialmente costituiti da apparati di vecchia generazione, basati sulla tecnologia VPX, una tecnologia ottimizzata dal gruppo di lavoro SpaceVPX (VITA-78) per applicazioni spaziali.

Introduzione

I sistemi spaziali ereditati basati sulla tecnologia VPX prevedono un’architettura hardware e software specializzata per una specifica missione. Ciò significa che, sia l’hardware che il software, non sono interfacciabili/interoperabili con altri sistemi, in quanto ogni apparato e applicativo software sono proprietari dell’industria che ha realizzato il sistema spaziale. D’altro canto, non essendo prevista la possibilità di recupero degli oggetti coinvolti nell’applicazione, non vi era la necessità di realizzare un’architettura interfacciabile/intercambiabile con altri sistemi. Considerando inoltre l’elevato costo di questi sistemi, il mercato in crescita per la richiesta di satelliti a basso costo, adatti quindi a soluzioni COTS (Commercial Off-the-Shelf component), l’orientamento dell’industria spaziale è di realizzare una valida alternativa alla tecnologia VPX mediante l’introduzione nel settore spaziale della tecnologia VNX, basata su una variante del fattore di forma della VPX (figura 1).

Figura 1: lo standard VPX

Il passaggio dalla tecnologia VPX alla VNX (SWAP) non è tuttavia semplice. Prima di approvare la versione VNX (VITA-74) nelle applicazioni spaziali, gli utilizzatori interessati hanno richiesto un passaggio intermedio dalla VPX alla VNX. La proposta è consistita nel realizzare una versione VNX di test su una variante della SpaceVPX VITA-78, ovvero, mantenendo le stesse dimensioni di larghezza e lunghezza, ma realizzando 2 moduli con profondità ridotta rispetto alla versione VPX. I 2 moduli vengono definiti con la profondità di 5 mm e 19 mm. Il modulo di profondità 5 mm prevede un connettore con 200 pin e dissipazione di 15 W. Il modulo di profondità 19 mm utilizza un connettore di 400 pin in grado di dissipare fino a 30 W. Questi 2 moduli VNX sono molto robusti e progettati per essere raffreddati. Di conseguenza, gli apparati basati sulla tecnologia VNX risultano più leggeri, meno ingombranti, meno costosi, rispetto ai sistemi che utilizzano l’architettura 3U o 6U VPX. Si deve inoltre tener conto che i satelliti LEO sono meno soggetti alla necessità di gravose e costose protezioni dalle radiazioni rispetto ai satelliti più grandi operanti ad orbite superiori. Ciò implica, oltre al minor costo degli apparati, anche la maggiore possibilità di utilizzare hardware COTS in questo tipo di applicazioni.

Uno sguardo alla tecnologia VPX

Per meglio comprendere la tecnologia VNX e la transizione (Swap) dalla VPX ad essa, è opportuno analizzare le caratteristiche della tecnologia VPX. Intanto dobbiamo dire che troviamo la VPX nelle applicazioni elettroniche spaziali dei sistemi ereditati. Il progetto  VPX nasce dalle esigenze di velocizzare le interconnessioni fra gli apparati dei vari sistemi, principalmente inerenti ai sottosistemi PCI in notevole evoluzione nel mercato del settore dei personal computer commerciali e professonali. Tuttavia, le applicazioni operanti nelle condizioni dure e ostili di temperatura, vibrazione, shock e altitudine, cui spesso sono soggetti i sistemi spaziali e terrestri utilizzati in ambito militare e industriale, richiedono prestazioni oltre lo standard PCI. Per andare incontro a queste severe esigenze, la VPX prevede un'architettura standard completa e aperta che soddisfa i livelli di robustezza funzionale, offrendo una larghezza di banda di frequenza, quindi di velocità del data-bus, senza precedenti. Le specifiche originarie VPX VITA 46 adottate nel 2007, attraverso l’adattamento a nuove tecnologie e ai nuovi requisiti richiesti dalla committenza, si sono evolute grazie anche all’impegno di un attivo gruppo di innovatori e costruttori della comunità dei sistemi embedded.

La nuova VITA 48 REDI (Ruggedized Enhanced Design Implementation) definisce la specifica meccanica di progetto per la gestione termica avanzata che utilizza i metodi dell’aria forzata, del raffreddamento per conduzione e del raffreddamento a mezzo liquido. La specifica definisce anche i coperchi di protezione metallica delle schede per soddisfare i nuovi requisiti relativi alla semplificazione delle attività di servizio in campo durante le attività di applicazioni militari. Nel 2010, la specifica VITA 65 OpenVPX migliora la VPX standard; viene aggiunto un set di ben definite convenzioni e architetture di sistema allo scopo di agevolare l’interoperabilità fra i costruttori dei sistemi. I collegamenti seriali gigabit vengono definiti come “condutture”, definendo anche di raggruppare insieme coppie seriali differenziali bidirezionali per formare un unico canale logico di dati. A differenza dei bus paralleli, tutte le condutture VPX sono rigide connessioni punto-punto. La OpenVPX categorizza anche i differenti tipi di portanti di traffico trattando le condutture come “piani”. I 5 piani definiti sono l’utilità, la gestione, il controllo, i dati e i piani di espansione. Per definire le caratteristiche architetturali dei sistemi, la OpenVPX definisce alcuni profili. Un profilo slot specifica le condutture e i piani che si trovano nel pannello dei connettori di ogni slot. Il profilo del modulo specifica le condutture, i piani, il costruttore e i protocolli implementati su ogni scheda. Il profilo del pannello posteriore definisce come le condutture connettono gli slot ognuno all’altro. Infine, lo sviluppo del profilo di chassis include il profilo del pannello dei connettori e definisce le dimensioni, le alimentazioni è il metodo di raffreddamento.

Considerazioni sulla realizzazione del prototipo e lo sviluppo del sistema VITA-74/VNX per le applicazioni spaziali

Chiarita la necessità del passaggio dalla tecnologia VPX alla VNX, è interessante analizzare le varie fasi per la creazione di un piccolo, leggero e a basso costo sistema per lo swap VPX->VNX. Si inizia innanzitutto con la discussione degli aspetti delle specifiche VITA-74 / VNX per la progettazione e implementazione di un sistema VNX. La specifica innanzitutto definisce la dimensione fisica dei 2 moduli standard, il modulo connettori e la relativa assegnazione dei pin dei segnali. L’integrazione dei moduli del sistema viene curato dal progettista di sistema. Il pannello dei moduli può contenere da uno ad oltre otto slot e il progettista di sistema può scegliere il più idoneo chassis, lo stile e la disposizione dei connettori. Un serio problema che viene posto nella realizzazione di un prototipo, è quello di realizzare velocemente un prototipo in laboratorio. Si consideri che una veloce realizzazione di un prototipo è importante in caso di necessità di immediata sostituzione di un’applicazione prima dell’avvio di una missione, o addirittura, nel caso in cui necessiti una completa rapida rivisitazione hardware dei moduli. La rapida realizzazione di un prototipo diventerebbe difficile se venissero applicate le norme MIL relativamente all’osservanza delle specifiche dei connettori e del cablaggio dei vari moduli. Torna in questo caso, come già detto precedentemente, l’opportunità, in questo caso la necessità, di adottare soluzioni commerciali del tipo COTS. Quindi, utilizzando connettori e patch di cavi prontamente disponibili in un laboratorio, si può risparmiare molto tempo. Un aspetto tecnico molto importante riveste la problematica delle interferenze elettromagnetiche (EMI) e delle scariche elettrostatiche (ESD). Il progetto in questo caso deve prevedere un’adeguata tecnica di filtraggio dei pin dei connettori. Un altro importante aspetto progettuale relativamente al pannello dei moduli deve essere considerato in fase di progettazione del prototipo VNX. Ovvero, dato che la topologia del BUS VNX deriva direttamente dalla specifica VPX VITA 46, la realizzazione del pannello moduli è possibile se le schede elettroniche VPX e VNX sono intercambiabili e interoperabili. Inoltre la specifica VNX prevede la diagnostica per il BUS di interconnessione PCI.

I requisiti termici

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