Technologie na Marsu musejí překonávat těžké překážky

Mars rudá planeta, kde je možná život, možná dost vody, možná... Všechno jsou zatím jen dohady. Co jsme ale zjistili...


Mars rudá planeta, kde je možná život, možná dost vody, možná... Všechno jsou
zatím jen dohady. Co jsme ale zjistili a víme naprosto bezpečně? Jaké
technologie se na povrchu této planety používají. Chcete vědět, které operační
systémy či procesory jsou na Marsu nejoblíbenější?
Mnoho lidí i firem si roku 1997 zakoupilo tehdy obvyklý osobní počítač s
procesorem Pentium. Dnes se jedná o Pentium 4. Srovnávat frekvence, velikosti
disků a další parametry s technologiemi na Rudé planetě raději nebudeme, neboť
jsou mnohem horší. Proč na Marsu technologie téměř nepokročila? Proč tamější
zařízení nemají procesory s běžným pozemským výkonem, když se průměrné teploty
pohybují okolo -20 až -100 ?C a jejich chlazení by nebylo problémem?
Nesmíme totiž zapomenout na podmínky, které jsou sice naprosto exaktně
zjištěny, ovšem z pohodlí svého domova si je jen stěží dovedeme představit. V
první řadě probíhá boj o energii. Co si sonda s sebou z miliony kilometrů
vzdálené Země přiveze, to má. Vedle energie v podobě baterií je sonda vybavena
fotovoltaickými články. Ovšem při větší vzdálenosti od Slunce a ztížených
atmosférických podmínkách není jejich výkon závratný.
Neexistuje ani žádný jiný způsob napájení bez zvýšení hmotnosti celku. Na
planetě navíc není nic, co by mohly sondy využít jako potenciální zdroj
energie. Je to paradox, ale kvůli vidině získání energie by jí ztratily tolik,
že by se to za současných možností nevyplatilo.

Silnější přežívá
Veškerá technika musí především přežít. Pobyt v kosmu ani na jiných planetách
není procházkou růžovým sadem kvůli různě silným dávkám radiace, prachu a vlivu
nejrůznějších chemických sloučenin z atmosféry. Ty notně snižují životnost
celku, takže provoz byť řádově v měsících je velkým úspěchem.
Planeta zároveň nemá gravitaci shodnou se Zemí. U nás je gravitační zrychlení
přibližně 9,81 m/s2 zatímco Mars "umí" zhruba třetinu, což činí 3,719 m/s2.
Tlak vzduchu je skutečně minimální, v pozemských podmínkách bychom jej
hodnotili spíš jako téměř vakuum jde o 0,66 procenta tlaku vzduchu (0,67 kPa
oproti pozemským 101,3 kPa). A to si raději nebudeme představovat, že před
bouřkou i na Marsu klesne tlak.
Atmosféra má rovněž jiné složení, což spolu s tlakem ovlivňuje schopnost odvodu
tepla. Oxid uhličitý CO2 tvoří 95,32 %, zbytek připadá na dusík (2,7 %), argon
(1,6 %) a kyslík (0,13 %). Další samozřejmostí je fakt, že do nejbližšího
servisu je v příznivém případě 55,7 milionu kilometrů a v nepříznivém 401,3
milionu. Není tedy možný zásah technika v jakékoli podobě.
Uvedená vzdálenost poměrně vylučuje i možnost přímého dálkového řízení.
Přestože se signál pohybuje rychlostí světla, v lepším případě trvá jeho cesta
minuty, v horším desítky minut, než doletí na Zemi (totéž potom zpět). Je však
možné alespoň posílat příkazy, kde čas nehraje tak významnou roli.
Pobyt na Marsu má i svá pozitiva a příznivé stránky není zde žádný
telekomunikační úřad, který by jakkoli ovlivňoval vysílací frekvence a výkon.
Rozumí se jaksi samo sebou, že se konstruktéři různých vysílačů a přijímačů
spolu na Marsu domluví, aby se zařízení navzájem nerušila. Na druhou stranu je
výhodné, pokud dokážou být "kompatibilní", aby si mezi sebou mohla předat
informace a poté je vyslat na Zemi (nebo naopak).

Nejen trvalý pobyt
Expedice na Mars není jen o pobytu na planetě, ale také o dlouhé cestě i
přistávání spojeným s přetížením při dopadu či přehříváním při průletu
atmosférou. Mimo oblast působení Van Allenových pásů (chránících mj. také
satelity včetně geostacionárních) jsou tělesa vystavena mnohem většímu
nebezpečí, které se ještě násobí dlouhou cestou.
Může se tak stát, že zařízení budou zničena ještě předtím, než k Marsu vůbec
dorazí. Podobnou odolnost musí vykazovat i veškerá technika určená pro armádní
účely, neboť je nutné, aby fungovala i v případě nukleární války nebo v
reaktorech (elektrárny, výzkumné ústavy).
Abychom kapitolu ukončili seriózněji, můžeme ke studiu doporučit příslušné
normy pro elektroniku určenou pro provoz v prostorách s vysokou úrovní radiace
neboli pro letecké, vesmírné a vojenské projekty (evropská ESA/SCC 9000 nebo
americká MIL-PRF-38535). Výrobky bývají certifikovány podle americké QML na
úroveň V (vesmír) nebo Q (vojenské účely).

Dějství nulté
Podívejme se nejprve na začátky dobývání Marsu. Snímky povrchu planety vznikly
ze vzdálenosti necelých deseti tisíc kilometrů dne 14. června 1965. Oním
"hrdinou" se stala sonda Mariner 4, přičemž zaslané fotografie byly historicky
prvními, které zobrazovaly povrch jiné planety, než je Země.

Dějství první
Za bouřlivého přijetí veřejnosti se již roku 1997 prohánělo po Marsu vozítko
Sojourner v rámci projektu Pathfinder.
Jeho srdcem byl procesor RAD6000 SC a osazená paměť RAM o velikosti 128 MB
pracující na frekvencích 2,5 MHz, 5, 10 nebo 20 MHz.
Počítač přitom byl testován plynule v rozpětí frekvencí od 2,5 MHz do 25 MHz s
krokem 0,1 MHz. Možnost relativně plynulé změny frekvence je důležitá pro
šetření elektrickou energií. Pokud není výpočetní výkon právě třeba, frekvence
se sníží. Podobná technologie se na Zemi využívá pro notebooky (AMD PowerNow!,
Intel SpeedStep apod.).
Robot komunikoval s pozemskou základnou v pásmu 8 GHz, k čemuž používal
všesměrovou anténu (signál je slabší, ale je šířen více směry, takže odpadá
složité směrování antény). Na Zemi signál dopadal na antény s průměrem 34 metrů
a poměrem signálu vůči šumu 6 000 : 1, což umožňovalo datový přenos 1 200 b/s.
Při anténách s průměrem 70 metrů lze dosáhnout až 8 200 b/s.
Pohyb samotného vozítka po Marsu řídil procesor 80c85 s instrukčním tokem 0,1
Mips (Milion Instructions Per Second) a pamětí RAM o velikosti 0,5 MB. Se
základnou se vozík domlouvá při akčním rádiu 500 metrů vysokofrekvenčním (UHF)
přenosem o rychlostí 2 400 b/s.
Sonda naměřila teplotu ovzduší v rozpětí -2 až -79 stupňů Celsia, což je
zároveň teplota okolí, při které musí veškerá elektronika pracovat. Definitivní
konec sondy pak nastal 10. března 1998, kdy byla prohlášena za mrtvou.

Dějství druhé (evropské)
Evropa žila dlouhé měsíce nadějí, že jejich sonda podnikne na Marsu úspěšný
průzkum. Z kosmodromu Bajkonur v Kazachstánu odstartovala 2. července 2003
raketa Sojuz Fregat s evropským vozítkem Beagle 2 a sondou Mars Express.
ESA neboli European Space Agency se tak poprvé v historii mohla dotknout Rudé
planety. Beagle 2 přistál na povrchu Marsu ráno 25. prosince 2003. Ze Země k
Marsu odcházely příkazy rychlostí 2 nebo 8 Kb/s, obráceným směrem pak rychlostí
od 2 do 128 Kb/s (podle jiných zdrojů informací 230 Kb/s).
Sonda, která ještě stále funguje, má 42článkový akumulátor schopný napájet 60W
žárovku po dobu 2,5 hodiny. Je možno jej dobíjet ze čtyř solárních panelů. Ty
za nejsilnějšího slunečního svitu (na Marsu) dodají 87 W. Telemetrické
informace měl Beagle 2 vysílat na frekvenci 401,56 MHz, zatímco rozkazy
přijímat na frekvenci 437,1 MHz (více viz schéma komunikace).
Beagle 2 se ale slávy nedožil, neboť počátkem února jej ESA oficiálně označila
za mrtvý. Mateřská loď Mars Express, pohybující se na orbitě planety, však
pracuje spolehlivě dál.

Monitoring Marťanů
Kosmický prostor nad Marsem poskytl Evropě více štěstí než její povrch. Pomocí
specializované stereoskopické kamery HRSC-AX (Free University Berlin, Německo)
je možné snímat povrch planety. Jednak v rozlišení, kdy jeden pixel odpovídá
zhruba 30 metrům povrchu, a jednak s přesností, kdy bod odpovídá ploše se
stranou 15 metrů.
Samotná kamera je řízena počítačem typu IBM PC (procesor 80c86, operační systém
startuje z PROM paměti, program je uložen v EEPROM). Ten má k dispozici
výkonnou kompresní jednotku zpracovávající snímky.
Osmibitový jednočip 80c31 nakonec data předá výstupnímu sériovému portu.
Samotné skenování povrchu Marsu sestává ze dvou částí SRC a HRSC, přičemž obě
probíhají zároveň.
HRSC je založeno na lineárním CCD prvku s 5 184 body v devíti řadách. Pro
zachování barev redukuje kamera rozsah vlnových délek. Toho se dosahuje pomocí
filtrů pro červenou (750 ? 20 nm), zelenou (530 ? 45 nm) a modrou (440 ? 45nm).
Kvůli zvláštnímu mineralogickému složení povrchu je materiál citlivý v oblasti
poblíž infračerveného spektra (970 ? 45 nm). Filtry jsou upevněny přímo před
CCD prvkem. Výsledkem skenování a následného převodu jsou JPEG soubory s
rozlišením 1 024 x 1 032 pixelů. Při SRC módu jde o území 2,355 x 2,373 km s
tím, že jeden pixel pokryje 2,3 metru.
Snímky jsou k dispozici na adrese
http://berlinadmin.dlr.de/Missions/express/firsteng.shtml.

Dějství třetí (americké)
Nová Marťanská kronika začala naostro 8. a 25. července 2003, kdy k Rudé
planetě odstartovalo několik plavidel. Jde o dvě vozítka s názvy Spirit a
Opportunity. Obě jsou vybavena procesorem RAD6000 stejně, jako jejich o 7 let
starší předchůdce.
Důvodů je hned několik jde o vyzkoušený a i v tak drsných podmínkách osvědčený
systém. Pro vyšší výpočetní výkon navíc není důvod, neboť by mohl být spojen s
velmi nežádoucí vyšší spotřebou. Sonda s vozítky na povrch Marsu úspěšně
přistála 4. ledna 2004.

Vesmírný monopol
BAE Systems má na procesory a počítače pro vesmírný provoz téměř monopol,
respektive její divize IEWS (Information and Electronic Warfare Systems). Od
roku 1995 již vyrobila přes 300 "vesmírných" počítačů od 16bitového GVSC 1750
přes 32bitový RAD6000 až po nejnovější RAD750.
Pokud se někomu nezdá jako velký výkon vyrobit za 9 let 300 počítačů, je nutné
připomenout jejich výjimečnost a především účel použití. Vesmírných projektů
není také tolik, aby se mohly vyrábět desetitisícové série jako u PC.
Snad nejpoužívanějším modelem je RAD6000. Jeho základem je 32bitový RISC
procesor architektury PowerPC, kompatibilní s IBM RS/6000 (odtud číselné
označení).
Od svého vzoru se liší antiradiační úpravou všech částí procesoru včetně
registrů. Díky tomu přežije 1 Mrad (rad jednotka radiace, Mrad milion radů) a
může pracovat při teplotách od -25 do +105 ?C.
Výpočetní výkon zvyšuje jednolitá cache o velikosti 8 KB. Napájecí napětí je
3,3 V bez dělení na jádro a komunikaci s okolím. Procesor má při pracovní
frekvenci 33 MHz výkon 2,1 Mips (benchmark Dhrystone). Je vyroben vlastní 0,5mm
technologií.
RAM paměť je připojena přímo k čipu, což je dnes využíváno například u
procesoru AMD Opteron apod. Rozhraní má šířku 64 bitů pro data a 8 bitů pro ECC
(Error Correcting Code) ochranu. Ta se ostatně nachází na všech prvcích
procesoru i celého počítače. Díky tomu je celek odolný proti "měkkým" chybám,
které je možné ještě opravit bez ztráty dat i beze ztráty procesorového času.
Procesor je srdcem zákaznické základní desky optimalizované pro konkrétní
použití. Proto se v kombinaci s RAD6000 vyskytuje celá plejáda sběrnic a
rozhraní od RS232 přes VME či PCI až po FireWire nebo vojenský standard
MIL-STD-1553. Aby bylo možné ochránit investice do vývoje aplikací, je zaručena
kompatibilita při případném přechodu z RAD6000 na výkonnější platformu RAD750.
Další parametry při různých implementacích naleznete v tabulce.
BAE Systems pro své výtvory tradičně volí operační systém Vx-Works, patřící do
kategorie operačních systémů pracujících v reálném čase. Výrobcem je společnost
Wind River Systems. Tu sice běžný uživatel nezná, ovšem v průmyslu, kde se
real-time operační systémy používají, je pojmem.

Jaká je konkurence?
Protože procesory RAD6000 jsou americkým dílem, používají se i z politických
důvodů v amerických projektech. Evropa, pokud to jde, se snaží rovněž používat
vlastní produkty. Na obou stranách Atlantiku jsou však uznávány některé
společné normy (např. pro sběrnice MIL-STD-1553 nebo VME).
Procesor MA3-1750 (podle 16bitového CISC amerického armádního procesoru se
standardem MIL-STD-1750A) byl využit do satelitu Eurostar 3000, přičemž do
Eurostaru 2000 byla osazena ještě dvojice Texas Instruments SBP9989 a 8085
(slavný osmibit Intelu).
Ariane V z roku 1990 zase pohání procesor s jádrem Motorola MC68020. Vzpomenete
si ještě na satelitní telefonní systém Iridium? Ten využíval procesory PowerPC
603E. Své využití našel také procesor IMA31750, což je Mips32 kompatibilní
procesor s taktem 16 MHz.
Evropa si ve velké míře libuje v procesorech Sparc (typicky 32bitový Sparc V7).
Jejich výkon kolísá mezi 10 a 17 Mips při napětí 5 nebo 3,3 V a frekvencích od
14 do 25 MHz.
Letošní rok má spatřit světlo světa procesor Leon2 neboli Sparc V8 s vnitřní
frekvencí 100 MHz, integrovanou dělenou instrukční a datovou cache 8 + 8 KB a
volitelnou 8/16/32bitovou paměťovou sběrnicí. Jeho základem budou Atmel FPGA
čipy vyráběné 0,25mm technologií.
Zvláštní kapitolou je signální procesor Atmel TSC21020F, který se běžně
označuje jako "space digital signal processor". Ten se v evropských projektech
vyskytuje často a je kompatibilní se svým vzorem ADI 21020.
Využití obvodů typu FPGA je spíš pravidlem než výjimkou. "Vesmírné" procesory
musejí odolat kosmickému záření, což klade velké nároky na jejich konstrukci.
Proto se využívají zákaznické integrované obvody, které požadované vlastnosti
mohou splnit.
Svět speciálních počítačových systémů a elektroniky je vždy něčím jiným, než se
obecně čeká. Má totiž jiná pravidla (nejsilnější je tlak na spolehlivost v
kritických podmínkách i na spotřebu energie), a díky tomu i neporovnatelně
vyšší ceny například tisíce až desetitisíce dolarů za procesor. A to je teprve
začátek...

Vybrané odkazy
Atmel www.atmel.com/products/
radhard/
Beagle-2 www.esa.int/export/SPECIALS/
Mars_Express/
Beagle-2 www.beagle2.com
CPUTech www.cputech.com
Crisa www.crisa.es
NASA Mars program http://marsprogram.jpl.nasa.gov
NASA Mars program vozítka http://marsrovers.jpl.nasa.gov









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