Počítače a komunikační systémy sondy Cassini

Meziplanetární sonda Cassini odstartovala ze Země už v roce 1997 a po téměř sedmiletém putování sluneční soustavou...


Meziplanetární sonda Cassini odstartovala ze Země už v roce 1997 a po téměř
sedmiletém putování sluneční soustavou dorazila k planetě Saturn. Zážeh
raketového motoru ji uprostřed letošního léta navedl na oběžnou dráhu kolem
této planety.
V následujících 4 letech oběhne Cassini Saturn celkem 76krát. Sonda bude moci z
bezprostřední blízkosti zkoumat nejen samotnou planetu a její prstence, ale
rovněž i její rozsáhlý systém měsíců. Součástí sondy je i modul Huygens, který
se od ní později oddělí, na začátku příštího roku samostatně vstoupí do husté
atmosféry měsíce Titan a přistane na jeho povrchu.

Počítačové vybavení
Na palubě sondy nalezneme dvojici hlavních řídicích počítačů a více než 50
dalších počítačů řídících jednotlivé systémy a přístroje. Pro hlavní změny
dráhy je sonda vybavena dvojicí totožných raketových motorů, z nichž jeden
slouží jako záložní, 16 hydrazinových motorků (polovina je záložních) slouží
pro hrubé změny polohy a orientace sondy v prostoru, zatímco ty jemnější
zajišťují čtyři reakční kola (jedno je opět záložním).
Dohromady se sonda skládá z 22 tisíc elektrických spojů a při jejím sestavování
bylo použito více než 12 kilometrů kabeláže. Samotná sonda nese 12 vědeckých
přístrojů, dalších 6 se jich nachází na modulu Huygens.
Protože se sonda Cassini pohybuje ve velké vzdálenosti od Slunce, není možné,
aby byla energií zásobena prostřednictvím slunečních panelů. Nese proto trojici
generátorů, které k výrobě elektrické energie využívají přirozeného
radioaktivního rozpadu plutonia. Po příletu k Saturnu dodávají tyto generátory
750 W energie, na konci výpravy (tj. 11 let po startu) by to mělo být stále
ještě 630 W. Dále je uvnitř sondy umístněno 82 jednowattových generátorů
dalších 35 je na modulu sloužících k udržování provozní teploty systémů sondy.
Podobné "ohřívače" jsou mimochodem použity i u Mars Exploration Rovers, které
stále pracují na povrchu Rudé planety.

Nervové centrum
Nervovým centrem sondy je tzv. Command and Data subsystem (CDS). Jeho úkolem je
zpracovat a ostatním subsystémům distribuovat příkazy obdržené z pozemského
řídicího střediska, zpracovat data získaná vědeckými přístroji i dalšími čidly
na palubě sondy a připravit je k odeslání zpět na Zemi. Všechny součásti CDS
jsou duplikované a v případě selhání mohou být nahrazeny náhradními zdroji.
Tento subsystém využívá řídicího počítače a záznamníku dat. Obě komponenty jsou
opět duplikovány.
Řídicí počítač je naprogramován v jazyce Ada. Kapacita každého palubního
záznamníku je 2,0 GB dat. Data získaná jednotlivými přístroji stejně jako
technická data o stavu jednotlivých subsystémů jsou nejdříve zpracována CDS a
zformátována do podoby vhodné pro jejich přenos a poté předána rádiovému
systému, který zajistí jejich odeslání na Zemi. Každý z počítačů disponuje 512
kB paměti RAM a 8 kB programovatelné paměti PROM. Systém je schopný získávat a
zpracovávat data z dalších subsystémů či vědeckých přístrojů rychlostí 430 kb/s.
CDS se skládá z řady částí, z nichž tou nejdůležitější je tzv. Engineering
Flight Computer; tento počítač vyrobila společnost IBM.

Vnitřní ucho
Zatímco CDS je mozkem sondy, další systém zvaný Attitude and Articulation
Control Subsystem (AACS) můžeme považovat za její "vnitřní ucho", které
nepřetržitě sleduje orientaci a polohu sondy v prostoru vzhledem k Zemi,
Slunci, Saturnu a dalším objektům. Zajišťuje rovněž správné zaměření vědeckých
přístrojů tak, aby příslušný přístroj mohl nepřetržitě sledovat požadovaný
objekt (včetně situací, kdy se sonda musí otáčet). Podobně jako v případě
předchozího systému i tento je tvořen dvojicí počítačů (jeden aktivní, druhý
záložní) opět naprogramovaných v jazyce Ada. Tyto počítače zpracovávají příkazy
řídicího systému (CDS) a ovládají pohonné jednotky sondy, ať už se jedná o
hlavní raketové motory, korekční motory či reakční kola. Systém má opět k
dispozici 512 kB paměti RAM a 8 kB PROM. V paměti počítače je uložen katalog
obsahující na 5 000 hvězd, podle kterých referenční jednotka sondu naviguje.

Autonomní řízení
Při obrovské vzdálenosti Saturnu od Země, na jejíž překonání potřebuje
elektromagnetický signál od 68 do 84 minut, je naprostou nezbytností schopnost
sondy reagovat na neobvyklé události, které ji postihnou. Sonda je proto
schopna autonomně detekovat celou řadu odchylek od normálního režimu u
jednotlivých systémů a využívat záložní hardwarové i softwarové zdroje, aby
zajistila plnění vědeckých úkolů.
Počítače obou systémů jak CDS, tak i AACS provozují takové ochranné programy,
které nepřetržitě kontrolují, zda nejsou porušeny standardní procedury.
Příkladem může být ochrana proti ztrátě povelu z řídicího střediska. Země se
sondou komunikuje v pravidelných časových intervalech. Na palubě se odpočítává
čas z určité hodnoty, a pokud dosáhne nuly, systém ví, že komunikace
neproběhla. Může pak automaticky restartovat komunikační systém či zkusit
komunikovat se Zemí pomocí záložního vybavení.

Bezpečný režim
Jinou možností reakce na neobvyklou událost vážnějšího rázu je uvedení sondy do
tzv. "bezpečného" režimu. Při takovém postupu jsou přerušeny všechny standardní
operace, vypnuty nekritické systémy a sonda očekává příkazy s nízkoziskovou
anténou namířenou k Zemi. Během letu k Saturnu došlo k takové situaci třikrát;
překonfigurování sondy a její návrat do normálního režimu trval v těchto
případech vždy zhruba týden.
Komunikace
Spojení sondy se Zemí zajišťuje rádiový a anténní subsystém. Pro účely
komunikace se Zemí produkuje rádiový systém nosnou vlnu v pásmu X o frekvenci
8,4 GHz, moduluje ji daty získanými ze systému CDS, zesiluje pomocí 20W
zesilovače a předává anténnímu subsystému. Podobným způsobem funguje i
komunikace opačným směrem. Anténní subsystém přijímá signál ze Země vyslaný na
frekvenci 7,2 GHz a předává jej rádiovému. Ten signál demoduluje a získané
příkazy a data předá řídicímu systému.
Anténní subsystém se skládá z "velké", tzv. vysokoziskové antény o průměru 4
metrů, která je pohyblivá. Anténa je schopna přijímat signál hned ve čtyřech
pásmech mikrovlnné části elektromagnetického spektra jsou to pásma X, Ka, S a
Ku. Kromě ní je sonda vybavena ještě dvojicí "malých" nízkoziskových antén.
Příkazy a data ze Země proudí na sondu přenosovou rychlostí 1 000 b/s.
Komunikace opačným směrem může probíhat různým tempem od 14 220 po 165 900 b/s.
Obecné komunikační schéma během operací u Saturnu je následující: Každý den
sonda shromažďuje po 15 hodin data na palubním záznamníku. Následujících 9
hodin (obecně v průběhu pokrytí pozemskou stanicí v Goldstone) tato data
předává na Zemi. Pokud je zapojena 34metrová přijímací anténa, je tímto
způsobem přenesen zhruba 1 Gb dat denně. V případě použití 70m antény je možno
tímto způsobem přenést denně až 4 Gb dat.
Oba subsystémy zajišťují rovněž vědecký výzkum. Přijímač a vysílač v pásmu Ka
(uplink/ /downlink na frekvencích 30/20 GHz) a vysílač pracující v pásmu S (2-4
GHz) slouží pro rádiové experimenty. Příkladem může být měření hmotnosti měsíců
Saturnu či studium prstenců či atmosféry planety při zákrytech.

Pozemské stanice
Na straně Země zprostředkovávají komunikaci stanice sítě Deep Space Network
(DSN). Ta je tvořena třemi stanicemi umístěnými po 120 stupních zeměpisné délky
po obvodu naší planety. Jak už bylo zmíněno, hlavní tíhu spojení se sondou
Cassini ponese stanice v Goldstone, která se nachází v Mojavské poušti v
Kalifornii. Podobně jako dvě zbývající stanice je vybavena velkou 70m a menšími
34m anténami. U slabého signálu i v případě sondy Cassini má palubní vysílač
výkon pouhých 20 W přicházejícího z obrovských vzdáleností v meziplanetárním
prostoru hrozí nebezpečí ztráty informace v šumu.
Způsobů, jak se šumem bojovat, existuje hned několik. Předně jsou všechny
stanice DSN vybaveny velmi citlivými přijímači. Přímo v ohnisku parabolické
antény je umístěný tzv. předzesilovač, který signál zesílí tak, aby už nebyl
tolik citlivý na šum. Dále následuje telemetrický přijímač, který je umístěn
mimo samotnou anténu a který připraví signál ke zpracování. Přijímače jsou
kryogenicky chlazeny tekutým heliem na teploty blízké absolutní nule, aby
nepřidávaly další šum k přicházejícímu signálu. Další techniku pro boj se šumem
představuje kódování signálu.
Moderní sondy obecně nevysílají data v bitech, ale v symbolech, jež jsou
zakódovány v modulaci nosné vlny. Několik symbolů tvoří vždy jeden bit podle
toho, jaké kódovací schéma je použito. Cassini využívá tzv. konvoluční
kódování, které každý bit popíše šesti symboly. (Detailněji o meziplanetární
komunikaci v Computerworldu 1/2002.)

Komunikační problém
Letový software určený pro samotnou misi u Saturnu byl na Zemi vylepšován a
testován ještě v průběhu cesty sondy k planetě. To vedlo ke zjištění jedné
hardwarové chyby, která by jinak znemožnila získat data od modulu Huygens při
jeho sestupu do atmosféry měsíce Titan. Jak se ukázalo, elektromagnetický
signál vyslaný z modulu směrem k orbitální sondě by vlivem příliš velkého
Dopplerova posuvu (posun vlnové délky signálu v závislosti na rychlosti zdroje)
nebylo možné anténou sondy vůbec přijmout. Protože je palubní software modulu
umístněn v paměti ROM, nelze jej tedy přepsat a muselo být vymyšleno jiné
řešení hrozící situace. Uvolnění modulu a jeho sestup do atmosféry byl nakonec
odložen o několik měsíců. Sonda a modul budou mít v tu chvíli menší vzájemnou
rychlost, a Dopplerův posuv tak nezpůsobí takovou změnu vlnové délky vysílaného
signálu jako v původním případě.

Planeta Saturn a její okolí je unikátním systémem, v podstatě samostatnou
planetární soustavou. Její výzkum by měl vědcům pomoci zodpovědět mnohé
základní otázky vzniku a vývoje planet i samotného života. Celkem 18 přístrojů
sondy Cassini bude zaměřeno na atmosféru planety, její systém prstenců i
rozmanitou a ve sluneční soustavě největší sbírku měsíců. Speciální pozornost
bude věnována měsíci Titan, jehož hustá atmosféra naznačuje podobnost s
pradávnou atmosférou naší planety. Na výpravě k Saturnu se podílí na 260 vědců
z USA a 17 evropských zemí, mezi nimiž nechybí ani Česká republika. Výprava
sondy Cassini, s níž se spojují velká očekávání, stála přes 3 miliardy dolarů.
Tento snímek planety Saturn byl pořízen sondou Cassini 7. května 2004 ze
vzdálenosti 28,8 milionu kilometrů. Zdroj: NASA/JPL/Space Science Institute

Kosmická mise a nové technologie
axPři vývoji sondy Cassini/Huygens byla aplikována řada nových technologií. Při
jejich posuzování je ovšem nutno mít na paměti, že sonda byla vypuštěna do
vesmíru před 7 lety a tomu také úroveň využitých technologií odpovídá. Jedním z
nejdůležitějších počinů je vůbec první nasazení polovodičových palubních
záznamníků dat, které jsou zcela bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Jejich
kapacita na počátku mise byla 2,0 GB. Nyní jsou již takové záznamníky
standardem a najdeme je v řadě současných kosmických výprav.
V hlavních počítačích sondy je využito nových integrovaných čipů. Mezi nimi
jsou tzv. Very High Speed Integrated Circuits, které byly vyvinuty v rámci
vládního kontraktu. Jejich použití v aplikačním počítači GVSC 1750A sondy
Cassini je jejich prvním civilním využitím vůbec. Další skupinu tvoří tzv.
Application-Specific Integrated Circuits, jež byly speciálně pro tento projekt
vyvinuty. Jedná se o výkonné čipy se zesílenou ochranou proti záření.
Novinkou je i palubní vysílač pro pásmo X, který má ve srovnání s předchozími
projekty nižší hmotnost, nižší spotřebu energie a lepší ochranu proti
intenzivnímu záření.

Po technické stránce je Cassini nejsofistikovanější a nejkomplikovanější
kosmickou sondou v celé historii. S výškou 6,8 metru a šířkou 4 metry vážila
sonda na startu více než 5,5 tuny. Téměř 2,5 tuny připadá na hmotnost samotné
sondy, která na počátku nesla více než 3 tuny paliva pro raketové motory. Mimo
základní těleso o tvaru hranolu jsou umístněny komunikační anténa parabolického
tvaru o průměru 4 metrů a 11 metrů dlouhé rameno, na němž se nachází jeden z
přístrojů magnetometr. Snímek NASA zachycuje sondu při přípravách ke startu.
(Zdroj: NASA/JPL)

Modul Huygens se od mateřské sondy oddělí 25. prosince 2004 (tento obrázek je
proto představou kreslíře NASA), aby po 22 dnech samostatného letu vstoupil do
atmosféry měsíce Titan. V tu dobu bude modul neaktivní s výjimkou jakéhosi
"budíku". O 2,5 hodiny později dosedne na povrch měsíce. Během průletu
atmosférou by měl být modul schopen díky tepelnému štítu přežít teplotu
dosahující hodnoty až 18 000 stupňů. Modul o hmotnosti 318 kg a maximálním
průměru 2,7 metru nemá vlastní zdroj elektrické energie a po oddělení od sondy
Cassini jej bude energií zásobovat pětice baterií. Pokud přežije přistání na
povrchu měsíce, měl by mít dostatek energie ještě na další půlhodinu fungování.
Komunikace modulu se sondou Cassini bude jednocestná, tj. sonda bude pouze
přijímat signál vyslaný z modulu. Protože po oddělení nebude už dále možné
modulu předávat další příkazy, jsou všechny části řídicího subsystému na modulu
Huygens 2krát či dokonce 3krát zálohovány. Dvě řídicí jednotky provozující
vlastní palubní software mohou řídit modul naprosto nezávisle. Jediné dva
rozdíly mezi nimi spočívají v tom, že využívají jiné rádiové frekvence pro
komunikace a že vysílání telemetrie z druhé jednotky je o šest sekund zpožděno,
aby v případě dočasného přerušení spojení, například během sestupu atmosférou,
nedošlo ke ztrátě dat. Každá z jednotek zahrnuje i kontrolu vlastního stavu a
může sama sebe vyřadit z provozu a předat řízení druhé. Většina řídicího
softwaru byla naprogramována opět v jazyce Ada a je umístněna v pamětích typu
EPROM. (Zdroj: NASA/JPL)









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.