Počítače musí ve vesmíru vydržet radiaci, vakuum i zrychlení

Jak by asi dopadlo vaše Pentium při řízení meziplanetární sondy? Vydrželo by otřesy při startu či 100stupňový roz...


Jak by asi dopadlo vaše Pentium při řízení meziplanetární sondy? Vydrželo by
otřesy při startu či 100stupňový rozdíl teplot na oběžné dráze? A co operační
systém? Svěřili byste jako kosmonauti svůj život raději Windows nebo Unixu? Jak
by vlastně vypadal celý kosmický výzkum bez výpočetní techniky?
Trocha historie
Výpočetní technika je jednou z hlavních součástí kosmického výzkumu už od 60.
let. Lze dokonce říci, že bez ní bychom o vesmíru kolem nás věděli jen to, co
lze pozorovat pouhým okem či dalekohledem.
Jak vypadaly počítače v 60. letech? Byly velké a ne příliš mocné. V řídicím
středisku v Houstonu stály proto tehdy stovky počítačů, každý pouze pro jeden
úkol. Celé jejich výpočetní středisko bylo méně výkonné, nežli dnešní jediný a
navíc přenosný počítač.
Podobné to bylo také s počítači v tehdejších raketách a sondách. Používali se
takzvané sekvencery, čili mechanicko-elektronické jednotky, které se spínaly a
prováděly určitý úkol v určitý okamžik po startu. Později již mohly provádět
danou operaci přímo rádiovým povelem ze Země, např. i za daný časový okamžik po
přijetí signálu. Dnes je situace samozřejmě úplně jiná a počítače se staly
integrální součástí každé kosmické mise.
Typickou řídicí jednotkou kosmické sondy byl ještě nedávno 10kilogramový
16bitový počítač osazený na mnoha deskách, o výkonu okolo 3 miliónů instrukcí
za sekundu (MIPS) a spotřebě 40 Wattů. Vývoj dnes vede k 32bitovému RISCovému
procesoru s rychlostí 30 MIPS, počítači integrovanému na jediné desce s
hmotností kolem 1 kg a spotřebou do 15 Wattů.
Situace dnes
Počítače v kosmu jsou dnes bez výjimky používány pro navigaci, dráhové korekce,
řízení orientace tělesa, kontrolu všech systémů, řízení spotřeby a napájení,
sběr technologických i vědeckých dat, jejich předzpracování a kompresi,
komunikaci se Zemí a mnohé další úkoly. Požadavky na hardware i software se
ovšem liší u nosných raket, u družic Země, jiné jsou u meziplanetárních sond a
jiné u pilotovaných letů.
Nepilotované lety obvykle trvají mnohem delší dobu nežli pilotované a počítač
má navíc ještě k dispozici mnohem méně energetických zdrojů. Je-li spotřeba
počítače v raketoplánu 3 000 Wattů a délka mise 2 týdny, potom u družice musí
být spotřeba maximálně desítky Wattů a všechny funkce zaručeny po několik let.
Některé požadavky jsou přesto společné pro všechny kosmické projekty. Počítače
pracují v reálném čase, řadu úkolů provádějí pouze jednorázově, jiné zase po
celou dobu letu (sběr dat, kontrolu subsystémů apod.). To znamená, že
vytíženost techniky je extrémní a dlouhodobé testování a zálohování všech
důležitých komponentů je nutností.
Na všech družicích i sondách je hlavní počítač přinejhorším zdvojen, takže v
případě chyby nebo celkového výpadku je automaticky aktivován záložní, zcela
identický počítač. V případě lidské posádky u raketoplánu je ovšem hlavní
počítač zálohován dokonce až 5krát.
Odlišnosti
Namáhání vnějšími vlivy je u kosmické techniky zcela odlišné od aparatury
pracující v pozemských podmínkách. Nejprve družice či sonda prochází fází
startu. Značných hodnot, především u nepilotovaných letů, dosahuje přetížení
(až 10 G u Titanu 3) a vibrace (100 Hz na 1 G u Ariane 4). Na oběžné či
meziplanetární dráze družici zase namáhají značné rozdíly teplot (-80 ?C ve
stínu až +80 ?C na přímém Slunci), téměř dokonalé vakuum, při kterém se mnohé
materiály vypařují, a dále vysoké hodnoty radiace.
Planetární magnetické pásy, kosmické záření a sluneční erupce produkující
vysoce nabité částice, to vše vyžaduje ochranu integrovaných obvodů a jejich
tranzistorové struktury proti parazitním nábojům. Většinou se to řeší pečlivým
zakrytováním titanovými plechy, zastíněním nemagnetickým vodivým plechem,
odvodem elektrického náboje a výběrem speciálně odolných součástek.
Vysoká stabilita řídicího programu je dalším kritickým požadavkem pro úspěšnost
letu. V případě, že dojde k zablokování nebo abnormálnímu ukončení nějaké
operace, výsledkem je často celkový krach mise a mnohamiliónová nenávratná
ztráta. Proto se lze těžko spoléhat na "klasický" komerční software a operační
systémy. Obvykle se vyvíjí unikátní řídicí program v asembleru nebo v jazyku C.
Například pro řízení raketoplánu se používá programovacího jazyka HAL/S (High
Order Assembly Language/Shuttle).
Naprostá většina sond a družic dnes disponuje ne jedním, ale mnoha procesory.
Komunikaci se Zemí, kontrolu všech subsystémů nebo další společné funkce
spravuje obvykle tzv. hlavní procesor. Složitější bloky, jako je např. napájení
nebo blok řízení letu, obsahují další samostatné procesory. Jednotlivé vědecké
přístroje mají zpravidla také svůj vlastní procesor, který řídí sběr,
komprimaci a ukládání dat.
Raketové nosiče
Hlavním úkolem raketového nosiče je uvést náklad na oběžnou dráhu Země (družice
Země), k Měsíci nebo na meziplanetární dráhu. Řídicí počítač proto musí dodržet
naprogramovaný kurs, provést určené korekce dráhy a v daném okamžiku vypustit
sondu(y).
Raketová technologie byla vyvinuta poprvé v hitlerovském Německu během zkoušek
raket typu V-1 a V-2. Tehdy se k řízení používali analogové počítače, které
sledovaly lamely vstupu a výstupu vzduchu z motoru. V případě větrem způsobené
ztráty kursu vypočítal analogový počítač korekci dráhy a aktivoval pootočení
lamel. Ironií osudu stejní němečtí inženýři pracovali po válce na amerických
raketových projektech a přinesli s sebou již vyzkoušené nové technologie.
Americké mise Apollo k Měsíci v 60. letech byly vypuštěny na raketě typu
Saturn. První vyvinuté typy ještě používaly původní německé řídicí mechanické
časovače. Při pátém zkušebním letu byl již použit počítač ASC-15, zkonstruovaný
firmou IBM (kontrakt na 5 miliónů dolarů roku 1961). Byl to 26bitový počítač s
13bitovou délkou instrukcí.
Počítače do té doby ještě nebyly složeny z polovodičových vysoce integrovaných
prvků, ale z jednotlivých tranzistorů. Kontrola ve více než 5 miliónech uzlů
nosné rakety by ovšem byla velmi složitá, a tak zde poprvé byly použity
integrované obvody, tehdy pouze 3 roky staré. Počítače byly přesto často
přeplněny daty (overflow) a nestíhaly udržovat všechny potřebné funkce.
Samozřejmě to vedlo k velkému množství chyb.
Od té doby se mnohé změnilo, přesto se stále jedná o složitou a k chybám
náchylnou techniku. 4. června roku 1996, pouhých 36 sekund po startu zbrusu
nové rakety Ariane 5, došlo k její explozi. Příčina? Jediný řádek řídicího
softwaru y:= int(x), který převádí reálné číslo na číslo typu 16bitový integer.
Vstupní hodnota reálného čísla od jistého senzoru ovšem nabývala hodnot větších
nežli 16bitů. Ztráta dosáhla hodnoty 1 miliardy dolarů.
V každém případě je dnes raketová technika mnohem spolehlivější než dříve právě
díky výkonnějším počítačům. Technická řešení jsou ovšem různá. V případě rakety
Ariane paměť jejích dvou počítačů obsahuje všechny letové instrukce, a již je
nelze po startu ze Země měnit. Díky dvěma laserově řízeným gyroskopům zná
Ariane svoji polohu v každém okamžiku letu a počítač podle ní ovládá tah
motorů, natočení trysek a oddělování jednotlivých stupňů.
Co se týče používaných prvků, v převážné většině se jedná o speciálně navržené
počítače. Například pro některé americké nosiče je výrobcem přímo státní US Air
Force. Důraz je přitom kladen na jiné kvality, než je výpočetní rychlost, a tak
průměrný výkon takového procesoru je 1 milion instrukcí za sekundu (procesor
Intel 486 dosahuje 50 MIPS).
Všechny elektronické prvky jsou v provedení "MIL" (military, vojenský), což
vyjadřuje dlouhodobé náročné testování použitých technologií, kontrolu všech
kusů, bytelné provedení a pak samozřejmě také cenu.
Družice Země
Běžná družice Země obsahuje kromě nákladu (ať už to jsou vědecké přístroje,
telekomunikační systémy nebo špionážní kamery) systémy zajišťující chod
satelitu. Sluneční panely dodávají proud do napájecího systému, který rozděluje
energii ostatním subsystémům. Antény přijímají povely z pozemní stanice a
vysílají k ní naměřená data. Systém detekce a řízení polohy družice a systém
udržující teplotní stabilitu se starají o další základní funkce satelitu.
Všechny tyto služby jsou v dnešní době řízeny digitálními počítači.
Přestože některé z těchto subsystémů obsahují vlastní procesor(y), na každé
družici najdeme jeden hlavní řídicí počítač. Ten může být často sestaven okolo
téměř běžného komerčního procesoru. Na příklad Hubblův kosmický dalekohled
(vypuštěn v roce 1990) je řízen procesorem Intel 80486, oceánografický satelit
Topex/Poseidon (1992) obsahuje zase procesor Intel 80186. Od počítačů na
většině družic Země není obvykle vyžadován extrémní výpočetní výkon, ale spíše
spolehlivost a odolnost. Proto se nezřídka sahá po starší, ale již několikrát v
kosmu vyzkoušené elektronice.
Subsystémy, k nimž patří např. řízení napájení, kde na výpočetní výkon jsou
kladeny minimální požadavky, jsou mnohdy osazeny staršími 8bitovými nebo
16bitovými procesory, často třeba i řady Z-80 nebo Intel 8086. Procesory jsou
navíc speciálně upraveny tak, aby odolávaly zvýšené radiaci.
V případě moderních telekomunikačních družic je ovšem situace trochu jiná a
vývoj spěje k vysokému výpočetnímu výkonu již na palubě družice. Jde třeba o
nejnovější telefonní družicový systém Iridium. Jen pro tento projekt byly
firmou Motorola vyvinuty 2 stovky speciálních desek s velkoplošnou a velmi
hustou integrací. K dalším výrobcům výkonných kosmických procesorů patří třeba
Honeywell se svoji řadou 32bitových RISCových procesorů, odolávající
kumulativní radiační dávce 1 Mrad (to odpovídá 10letému provozu ve výšce 1 000
km).
Kompletní palubní software družice je obvykle uložen v pevné paměti PROM,
přičemž v případě nouzové rekonfigurace satelitu jej lze odtud vždy obnovit.
Počítač má také samozřejmě k dispozici jistou operační paměť RAM s velikostí
tak okolo 1 MB. Předávání řídicích povelů periferním jednotkám a sběr informací
a dat jsou obvykle realizovány po sériových linkách hvězdicovým připojením.
Záložní počítač bývá naprosto identický s hlavním a disponuje i vlastním
nezávislým připojením na palubní napájecí síť. Oba počítače jsou tedy schopny
pracovat zcela samostatně.
K dalšímu běžnému vybavení družice patří nějaké paměťové médium. Na něj se data
ukládají před jejich vysláním na Zem. Dříve používaný magnetický páskový
rekordér nebyl s ohledem na interakci se zemským magnetickým polem vůbec
optimální, a tak se v dnešní době častěji montují pevné polovodičové paměti bez
pohyblivých prvků. Zatímco Hubblův kosmický dalekohled i Topex/Poseidon
používají ještě magnetickou pásku o kapacitě asi 500 MB, jsou dnes k dispozici
kosmicky kvalifikované solid-state paměti o kapacitě 2 GB. Nicméně i v
raketoplánu se stále ještě používá páskových magnetických pamětí.
Meziplanetární sondy
Blokový diagram a subsystémy klasické meziplanetární sondy jsou obdobné jako u
družice Země, pouze s tou výjimkou, že parametry oběžné dráhy družice Země po
vypuštění již obvykle nelze měnit, kdežto meziplanetární sondy mívají aktivní
tryskový systém korekce dráhy. S ním souvisí i náročný počítačově řízený letový
režim.
Velký rozdíl je však v době trvání mise. Ta je většinou mnohonásobně delší,
často i desítky let. Z toho vyplývají i zvýšené požadavky na odolnost proti
kumulativní radiační dávce a prostou životnost komponentů.
Od dob, kdy Ranger 3 minul Měsíc o 35 000 km díky chybě ve výpočtu (1962) a kdy
sonda Voyager (1977) používala ještě zčásti staré sekvencery a zčásti 4bitový
procesor, se již mnohé změnilo. Abychom zjistili, jaká výpočetní technika se
dnes pro meziplanetární lety používá, porovnáme dva nedávné projekty: sondu
Galileo vypuštěnou v roce 1989 k Jupiteru a projekt Mars Pathfinder s vozítkem
Sojourney z roku 1997. Obě sondy (kromě vozítka) jsou stále v provozu nicméně i
sonda Voyager dosud ještě funguje, přestože již dávno opustila sluneční
soustavu a signál letící rychlostí světla putuje od ní k nám 20 hodin.
Galileo obsahuje 11 vědeckých přístrojů. Každý z nich je řízen vlastním
8bitovým mikroprocesorem RCA COSMAC 1802. Osm z nich je programovatelných za
letu, neboť jejich program je alespoň zčásti uložen v paměti typu RAM (256 b až
4 KB), tři zbývající běží pouze z pamětí ROM (2 až 6 KB). Jako zdroj energie
sonda využívá rozpadu plutonia 238 v RTG (radioizotopový termoelektrický
generátor). Průměrný příkon z tohoto zdroje je 500 wattů.
Mozek sondy tvoří dva celky. AACS (Attitude and Articulation Control Subsystem)
se stará o navigaci a orientaci sondy, CDS (Command and Data Subsystem) o
přijímání povelů ze Země a sběr dat od přístrojů. AACS je osazen 16bitovým
počítačem ATAC-16MS a používá 2 KB ROM a 64 KB RAM. K programování byl použit
speciální asembler pro tento typ počítače a jazyk HALS. Ten má totiž
zabudovanou silnou maticovou podporu, která je výhodná pro navigační výpočty a
kontrolu orientace sondy. Operační systém GRACOS, běžící v reálném čase,
navrhla JPL (Jet Propulsion Laboratory, USA). Systém je řízen jednotkou RTI
(Real-time interupt) a pomocí přerušení koordinuje činnost všech ostatních
přístrojů (v reálném čase!). CDS a jeho software přijímá a provádí povely ze
Země, sbírá naměřená data ze všech 11 vědeckých aparatur a rozděluje je do
balíků, které nejprve ukládá na páskovou paměť a v době spojení je vysílá k
pozemní stanici. Současně pomocí krystalového, elektronicky řízeného
oscilátoru, udržuje palubní čas a tak synchronizuje veškerou práci na palubě. V
bloku CDS je celkem 6 mikroprocesorů RCA COSMAC 1802 na frekvenci 1,6 MHz.
Každý z nich má samostatnou paměť a vykonává svůj vlastní software, nicméně pro
některé úkoly mohou spojit své síly.
V jediném okamžiku může na palubě Galilea pracovat vlastně až 18 počítačů,
některé z nich navíc společně. Tedy přesto, že výpočetní výkon například
8bitového RCA procesoru je na úrovni procesorů 6502 z počítače Apple II (1970),
celkový výkon a množství zpracovávaných úkolů jsou úctyhodné.
Z technického hlediska velice zajímavý projekt sondy Mars Pathfinder
odstartoval v prosinci 1996 a Marsu dosáhl v červenci 1997. Skládal se z
přistávacího modulu Pathfinder a vozítka Sojourney.
Pathfinder, který zajišťoval let k Marsu, přistávací manévr a komunikaci mezi
vozítkem a Zemí, byl osazen procesorem IBM RISC R6000 (22 MIPS) s 32bitovou VME
(Versa Module Eurocard) sběrnicí a 128 MB DRAM paměti. Procesor je identický
jako u pracovních stanic IBM R6000, ale s radiační ochranou od firmy
Lockheed-Martin, která byla odpovědná i za vývoj celého palubního počítače. Ten
byl taktován volitelně na 2,5, 5, 10 nebo 20 MHz, podle energetických možností.
Zdrojový kód byl vyvinut pomocí OS VxWorks, operačního systému pro real-time
aplikace, a to v asembleru a jazyku C s pomocí objektově orientovaného
programování.
Vozítko Sojourney bylo naproti tomu osazeno pouze starším 8bitovým procesorem
Intel 80C85, radiačně chráněným pro letové aplikace třídy S (tedy ty
nejnáročnější). Sojourney běžel na frekvenci 2 MHz, dosahoval výkonu 0,1 MIPS a
mohl využívat 0,5 MB RAM k dočasnému uložení vědeckých dat z přístrojů před
jejich vysláním k Pathfinderu. Díky omezeným energetickým možnostem zde byla
prioritou hlavně malá spotřeba. Sojourney byl totiž napájen pouze ze slunečních
GaAs/Ge panelů s maximálním příkonem 16 W a byl bez dobíjecích baterií, takže
mohl pracovat pouze ve dne.
Komunikace mezi vozítkem a Pathfinderem se uskutečňovala prostřednictvím
rádiového UHF spojení s dosahem 700 metrů. Na obrázku je vidět, že počítač
Sojourneya sestával ze dvou desek, "CPU Board" s procesorem, pamětí a vstupně/
výstupními obvody, a "Power Board" s kontrolou napájení.
Ze Země byl 11 kg vážící Sojourney ovládán pomocí 2 pracovních stanic Silicon
Graphics Onyx2. Jednotlivé pohyby byly nejprve simulovány v prostředí 3D stereo
virtuální reality (joystickem ovládaný model), která vznikala ze snímků IMP
kamery na skutečném vozítku. Příkazy s danými parametry se poté vysílaly
rychlostí 250 b/s na frekvenci 7,2 GHz k anténě Pathfinderu na Marsu.
Možná bude ještě zajímavé zmínit se o tom, že celý projekt stál americké daňové
poplatníky 265 miliónů dolarů. Prý byl prvním z podobných projektů moderních,
tedy mj. také levnějších.
Pilotované lety
Je 12. dubna 1961. V Bajkonuru se právě chys-tá ke startu kosmická loď Vostok
3KA. Na ovládacím panelu je několik analogových budíků a blok spínačů palubních
systémů. Ten je však uzamčen, snad proto, aby pilot nepřerušil dlouho očekávaný
let. Pouhé jediné zapečetěné tlačítko má Gagarin k dispozici pro případ nouze.
Přenesme se v čase přibližně o 8 let. Datum: 16. července 1969. Místo: Kennedy
Space Center. Apollo 11 je připraveno k první výpravě lidské posádky na Měsíc.
K dokončení lunární mise bude ovšem ještě nutno vykonat přes 10 500 úhozů do
palubní klávesnice.
Takové rozdíly mohou nastat, když dva dělají téměř totéž. Nicméně let Apolla 11
nebyl vůbec bez problémů, z nichž některé byly způsobené i výpočetní technikou.
Počítač, zkonstruovaný v MIT (Massachusetts Institute of Technology) za 8
miliónů dolarů, měl 16bitovou délku slova, 36 KB paměti a přerušení na bázi
vyšší priority procesu. Způsobil nejednou horkou chvilku v řídicím středisku i
osádce těsně nad povrchem Měsíce. Byl totiž tak často přehlcen daty, že první
let k Měsíci byl několikrát málem zrušen.
Posádka tehdy měla před sebou 3 pěticiferné displeje, 10 výstražných kontrolek
a 19 + 10 kláves pro vstup příkazů a čísel. Klávesy byly popsány takovými
nápisy jako SLOVESO, PODSTATNÉ JMÉNO, ENTER, SMAŽ, PLUS, MINUS, TEPLOTA a
podobně. Astronauté vybírali program (číselným kódem), vstupní data a
požadovanou funkci. Počítač tehdy kontroloval kompletní navigaci, výpočet
rychlosti a polohy, autopilotní úlohy a nouzové režimy. Software, tedy spíše
soubor programů, byl tehdy celý vyvíjen na stanici IBM 360.
Dnešní situace je podobná tehdejší alespoň v tom, že při konstrukci stroje pro
lidskou posádku je kladen ještě mnohem větší důraz na spolehlivost celého
systému, než v případě nepilotovaného letu. Naštěstí zde neexistují téměř žádné
limity na velikost počítačů a jejich spotřebu. Lety většinou trvají jen krátkou
dobu, v případě raketoplánu maximálně 2 týdny, a všechny důležité systémy jsou
několikanásobně zálohovány. Vlastně lze říci, že v případě pilotovaného letu
ještě nikdy nedošlo k tragické havárii zaviněné pouze chybou v počítači nebo v
řídicím programu.
Raketoplán
Podívejme se nyní na elektronické vybavení asi nejzajímavějšího kosmického
plavidla s lidskou posádkou raketoplánu. Když si představíme jednotlivé hlavní
systémy raketoplánu a jejich propojení na palubní počítač GPC (General Purpose
Computer), vidíme, co všechno musí tento počítač zvládnout:
Avionika spolu s GPC tvoří jediný systém.
Komunikační systém spolu s GPC tvoří jediný systém.
Manévrovací systém řízený ze Země nebo posádkou pomocí GPC.
Napájecí systém plně řízený a kontrolovaný GPC.
Oddělovací systém vnějších nádrží a raket GPC aktivuje oddělení.
Přistávací systém řízený GPC společně s ručním řízením.
Systém pohonu aktivovaný prostřednictvím GPC.
Systém udržující podmínky pro pobyt posádky pouze nepřímo propojen na GPC.
Systém údržby a vypuštění nákladu pouze nepřímo propojen na GPC.
Teplotní ochranný systém bez propojení s GPC.
Varovný systém kontrolovaný GPC.
Palubní počítač raketoplánu Space Shuttle se skládá z pěti systémů IBM AP-101.
Od prvního startu raketoplánu v roce 1981 se tento typ palubního počítače
vyvinul z první verze AP-1 až k dnešní AP-101S. Stejný typ počítače navíc řídí
i letouny B-52 a B-1B. Architektura a typ registrů je stejný jako u mainframů
IBM Serie 360 a 4Pi.
Do každého z počítačů je nahrán jiný software během rozdílných fází letu podle
potřeby. Během startu a přistání je do čtyř z pěti systémů nahrán stejný
program ovládající navigaci. Ve zbývajícím systému je zálohový letový software,
který ovšem také může převzít kontrolu nad plavidlem v případě nouze. Pomocí
tohoto programu jej stejně tak může v libovolném okamžiku letu dostat nouzově k
Zemi. Naopak během méně kritické fáze letu na orbitální dráze je ve dvou
počítačích nahrán komunikační software, který řídí spojení s pozemní stanicí.
Každé AP-101 je složeno z procesorové jednotky a vstupně-výstupního bloku. Ty
obsahují svou vlastní paměť o kapacitě 81 KB, resp. 24 KB, sloužící k ukládání
řídicího programu a dat. Vstupně-výstupní blok má 24 nezávislých procesorů a
každý z nich řídí 24 sériových datových linek, které slouží k přenosu
28bitových příkazů a dat spojujících GPC s ostatními systémy.
Díky 600wattové spotřebě jednoho počítače je až kriticky nutné aktivní
chlazení. V případě selhání větracího systému je jejich činnost zaručena na
pouhých 20 minut. Výkon AP-101S je asi 1 MIPS a předpokládaný čas mezi dvěma
chybami je 10 000 hodin (416 dní).
Jednotka zpracování dat je tvořena palubními počítači, dvěma
magneticko-páskovými pamětmi, digitální datovou sítí, 23 multiplexery a
demultiplexery (konverze formátu dat pro různá zařízení) a časové jednotky (4,6
MHz krystalový oscilátor). Kapacita jedné z páskových pamětí je 34 MB. Uložení
výpočetních funkcí pro všechny letové fáze vyžaduje přibližně 400 KB paměti.
U Apolla byla spolehlivost dosahována tvrdou a také drahou kontrolou kvality.
Naproti tomu na raketoplánu je politika omezování chyb implementována kombinací
zálohování a nadbytečnosti. Během kritických fází letu mají čtyři z pěti
počítačů identické programové vybavení, pátý je záloha. Ostatní životně
důležité systémy jsou většinou budovány v sérii tří až čtyř identických systémů.
NASA (National Aeronautics and Space Administration) na počátku 70. let
předpokládala, že pro raketoplán bude potřebný menší rozsah softwarového
vybavení než pro projekt Apollo. Obrovský rozsah funkcí raketoplánu však
ukázal, že žádná firma není schopna se samostatně zhostit tohoto úkolu. Nakonec
byl jako hlavní kontraktor v roce 1973 vybrán koncern IBM, s původním odhadem
nákladů na 20 miliónů dolarů. Celková suma, vynaložená na vývoj palubního
softwaru, byla ovšem do dnešního dne přes 200 miliónů. Protože programy psané
ve vyšších programovacích jazycích jsou snadněji modifikovatelné, již zmíněný
HAL/S slouží jako prostředí většiny aplikačního softwaru. Podstatná část
operačního systému je přesto psána přímo v asembleru, protože ten se mění jen
zřídka.
Primární letový software (PASS) je program, který běží na všech čtyřech
hlavních počítačích. PASS je rozdělen na dvě části: systémový a aplikační
software. Systémový software se skládá z letového operačního systému (FCOS) a
jeho uživatelského rozhraní. Aplikační software obsahuje programy pro navádění,
navigaci, správu systémů, správu nákladu a kontrolu.
Klíčovým úkolem FCOS je provádět a dohlížet na real-time operace.
Nejdůležitější z nich jsou příkazy SCHEDULE, obsluhující frekvenci a prioritu
jednotlivých úkolů, TERMINATE, ukončující úlohu, a WAIT, dočasně zastavující
běh daného programu. Na velikosti potřebné paměti pro různé úkoly (viz tabulka)
je vidět, jak opravdu úsporně je operační systém raketoplánu napsán.
Letový software se samozřejmě stále vyvíjí. Například během prvních 12 letů
raketoplánu Shuttle bylo přepsáno přes 50 % PASSu. Při NASA existuje celá malá
továrna na jeho přípravu. I přes obrovské úsilí však není patrně možné se
vyhnout chybám: kupříkladu v roce 1973, pouhé 3 dny před startem STS-7,
programátoři objevili chybu ve vývojovém programu, a tak muselo být narychlo
překompilováno přes 200 programových modulů.
České družice
Protože i Česká republika má svůj kosmický program, rád bych se ještě v
krátkosti zmínil o využití počítačů na českých družicích. Naštěstí lze i ve
skromných podmínkách vytvořit plně funkční systém, který může odhalovat zatím
nepoznané fyzikální zákonitosti.
Co se týče plně českých družic, doposud jsou mi známy pouze 3 projekty. Pět
vypuštěných vědeckých satelitů Magion, právě dokončovaný projekt družice Mimosa
a dlouho očekávaný telekomunikační satelit CesaSat.
O družici CesaSat lze v tuto chvíli jen těžko cokoliv napsat. Soutěž
kontraktorů sice vyhrála italská Alenia Spacio, ale realizaci provází množství
problémů, a tak se nechme raději překvapit tím, jak vše dopadne.
Zatím jediné skutečně fungující české družice jsou vědecké satelity Magion 1 až
5. Zčásti byly uskutečněné v rámci projektu Interkosmos, po roce 1989 se je
podařilo navázat na mezinárodní projekt Interball. Všech pět satelitů bylo
zkonstruováno v Ústavu fyziky atmosféry při Akademii věd ČR. Jak napovídá
jejich název, tyto družice byly určeny k výzkumu zemské MAGnetosféry a
IONosféry. V provozu je dnes pouze ta poslední Magion 5.
Nás bude nyní přirozeně zajímat především výpočetní technika na palubě.
Poslední čtyři družice jsou řízeny 8bitovým procesorem NSC-800, což je maďarský
klon populárního Z-80. První Magion 1 byl ovládán pouze analogově. Hlavní
procesor slouží vždy k zajištění komunikace s pozemní stanicí (Panská Ves v
severních Čechách) a k ukládání dat od jednotlivých přístrojů. K tomu slouží
pevná paměť RAM s kapacitou, která se zvětšovala až k 4 MB na Magionu 5.
Jednotlivé experimenty byly obsluhovány samostatnými procesory, které hlavnímu
předávaly pouze naměřená data. Všechny satelity jsou napájeny ze slunečních
článků a sady akumulátorů.
Další česká vědecká družice Mimosa je určena k měření negravitačních poruch
drah družic. Je vyvíjena v Astronomickém ústavu AVČR a měla by být připravena k
vypuštění do konce tohoto roku. Její činnost je řízena zálohovaným 16bitovým
CMOS procesorem Siemens SAB 80C 166 a další stejný procesor obsluhuje hlavní a
jediný vědecký přístroj mikroakcelerometr Macek. Zaručený rozsah pracovních
teplot procesorů je -30 ?C až +70 ?C. Jejich maximální taktovací kmitočet může
být 40 MHz, letový kmitočet se určí až po odladění řídicího programu. Ten je
uložen v 64 kB paměti PROM a k ukládání naměřených a technologických dat jsou k
dispozici další 2 MB paměti RAM. Programování řídicího software probíhá v
asembleru a jazyku C (Space Devices, s. r. o., Praha).
Všechny subsystémy družice komunikují s hlavním počítačem prostřednictvím
sériové linky RS 422 rychlostí přenosu 4 800 resp. 9 600 b/s. Velmi důležitý
palubní čas udržuje teplotně odolný hybridní oscilátor na 3,7 MHz od firmy
Q-Tech. Radiační stínění nejenom těchto elektronických prvků je dosaženo
zakrytím duralovým plechem s plasmově nanesenou vrstvou nitridu titanu.
Zajímají vás další parametry? Podívejte se na internetové stránky, uvedené na
konci vloženého článku.
Závěr
Když na jaře roku 1998 navštívil ČR americký kosmonaut John Blaha (původem od
Humpolce), během společné večeře došlo také na otázky okolo míry využití
počítačů na raketoplánech. Ty jsou dnes schopny provést zcela identický let
dokonce i bez lidské posádky. Pan Blaha také rozhodně zamítl možnost ručního
řízení během startu, a to kvůli vibracím a vysokému přetížení (-3,5 až +4,5 G).
Nicméně v jednom případě člověk stále nahrazuje stroj. Přestože palubní počítač
je kdykoliv připraven i na přistání, zde zatím podle slov Johna Blahy "...
vítězí kosmonauté nad počítačovými inženýry".
Těžko předpovídat, jakým směrem se bude ubírat výpočetní technika užívaná ve
vesmíru. Patrně stejným směrem, jakým půjde i hlavní proud rozvoje IT, jen
trochu pomaleji. Můžeme pouze doufat, že stále modernější počítače budou
směrovat spíše naše hlavy vzhůru ke hvězdám než střely směrem k našim hlavám.

9 1287 / pahn

Některé družice Země a vlastnosti jejich řídicích počítačů
MiseStartÚčelProcesoryRychlost (MIPS)
HST1990kosmický dalekohled8048650
Topex1992oceánografie801860,1
FaiSat1997komunikace32bit RISC RAD600020
Vegetatio1998monitor. vegetace16bit USAF-1750A?
Fuse1999UV spektroskop803864
TechSat1999akademický80CI86EC0,1

Některé meziplanetární sondy a jejich řídicí počítače
MiseStartÚčelProcesoryRychlost (MIPS)
Voyager1977Jupiter, Satur6x4bit HYPACE?
Galileo1989Jupiter8bit RCA 18020,4
Clementine1994Měsíc16bit USAF-1750A1,7
Cassini1997Satur16bit USAF-1750A22
Pathfinder/1996Mars32bit IBM RS6000/22/
/Sojourney/80C85/0,1
SOHO1995Slunce16bit MAS 281?

Přibližná paměťová náročnost některých
úkolů dnešních raketoplánů
Jméno programuPaměť v KB
Předstartovní inicializaceĘ72
Předstartovní kontrolaĘ81
Start a jeho nouzové zrušení105
Režim na oběžné drázeĘ83
Přistání101

Zdroje dalších informací na Internetu
Tuzemské zdroje
http://sunkl.asu.cas.cz/~macek Projekt Mimosa
http://www.ufa.cas.cz/html/magion/magion.html Projekt Magion
http://web.telecom.cz/netgate Kosmické novinky
http://www.lib.cas.cz/knav/space.40 Encyklopedie družic
http://www.mus.cz/~ales Encyklopedie kosmonautiky
Zdroje v angličtině
http://www.flatoday.com/space Space Online
http://spacescience.nasa.gov/missions Projekty NASA
http://solar.cini.utk.edu/~mwade/spaceflt.htm Encyclopedia Astronautica









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