T - Underpinning technology - SRON Netherlands Institute for Space Research

Vluchtelektronica: Onmisbare schakel tussen meting en resultaat

Uitdaging

Aan boord van satellieten bevinden zich detectoren om metingen te doen aan elektromagnetische straling die door objecten op afstand wordt uitgezonden, of aan de omstandigheden rond de satelliet zelf: gasatomen, gasmoleculen, stofdeeltjes, magnetische velden en elektrisch geladen deeltjes. Tussen het moment dat in een detector een signaal ontstaat en het wetenschappelijk product, zoals een spectrum, een afbeelding of een tijdregistratie, wordt een complexe keten doorlopen. Het voorste deel van die keten (het front-end) bevindt zich aan boord van de satelliet. Daar worden de signalen die in de detector ontstaan klaar gemaakt voor verzending via een radioverbinding naar het grondstation. Vanaf de ontvangstantenne begint het zogeheten ground segment, waarin de ontvangen gegevens worden opgeslagen, bewerkt tot eindproducten en gedistribueerd naar de afnemers.

De keten wordt in zekere zin ook omgekeerd doorlopen. Vanuit het satellietcontrolecentrum worden via de grondantenne opdrachten naar de satelliet gestuurd. Bijvoorbeeld om zich op een bepaalde hemelpositie te richten, de detectiewijze aan te passen, filters in de lichtweg te draaien, of juist eruit, aan boord opgeslagen gegevens af te spelen, en dergelijke.

De ‘gewone’ commercieel verkrijgbare elektronicacomponenten zijn vaak niet geschikt voor gebruik in de vluchtelektronica. Dit betekent ofwel dat ze moeten worden aangepast, of dat de componenten apart moeten worden gemaakt. Dat laatste is een uiterst belangrijk specialisme, cruciaal voor het welslagen van een satellietmissie.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: eisen vluchtelektronica{end-link}De front-end elektronica of vluchtelektronica bevindt zich in de satelliet en vervult talloze functies. De detectorsignalen worden bijvoorbeeld omgezet van een analoog signaal naar digitaal, versterkt, gemengd of vergeleken met andere signalen, gefilterd, gesplitst, (tijdelijk) opgeslagen, voorbewerkt, gecombineerd met andere gegevens (zoals informatie over de ijking van de detector, richtpositie van de telescoop), gecomprimeerd en nog veel meer. Aan dat hele traject worden eisen gesteld. De oorspronkelijke informatie die in het detectorsignaal zit, moet behouden blijven. Er mag geen informatie verdwijnen in de ‘ruis’ van de elektronica. Er mogen onderweg geen valse signalen ontstaan.

Uit satellietmanagementoverwegingen zijn er nog meer eisen. De elektronica moet robuust zijn en bestand tegen ruimteomstandigheden en de enorme trillingen van de lancering. Tegelijkertijd moeten de massa en het volume zo laag mogelijk zijn. En het liefst trekt de elektronica zo weinig mogelijk stroom van de zonnepanelen of andere energiebronnen. De hele keten moet elektronisch gezien stabiel blijven, binnen ruime temperatuurgrenzen. En uiteraard moet de keten zelf zodanig zijn ingericht dat de prestaties en juiste werking kunnen worden gecontroleerd. Computers in de keten moeten aan boord controletaken uitvoeren en ‘scripts’ afwerken, en zijn tegelijkertijd vanaf de aarde te voorzien van nieuwe opdrachten, nieuwe software en coderingen. En last-but-not-least moet het geheel een levensduur bezitten die vaak de lengte van de basismissie overtreft, zodat eventueel een missie kan worden verlengd.{end-tooltip}

Doorbraak

In Nederland is het ontwerp en voor een deel ook de productie van front-end electronics geconcentreerd in de specialismen van SRON. Een van de belangrijkste componenten is het integrated circuit (IC). Ten opzicht van printed circuit boards (PCB) bieden ze het voordeel dat de componenten compacter zijn, minder energie vergen en vanwege de kleinere afmetingen ook bij hogere signaalfrequenties kunnen werken. SRON ontwerpt en test de IC’s terwijl de productie bij gespecialiseerde bedrijven plaatsvindt. De basis wordt gevormd door bestaande, commercieel gangbare technieken en materialen. Vaak worden componenten gebruikt op basis van silicium halfgeleidertechnologie, maar afhankelijk van de toepassing komen ook andere halfgeleiders in aanmerking, zoals germanium, gallium-arsenide en indium-fosfide. Het ontwerpen tot en met het flight ready krijgen van front-end elektronica is een proces dat vaak enkele jaren in beslag neemt. Stap voor stap wordt het ontwerp geperfectioneerd via een reeks prototypen en testprogramma’s.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Bijzondere aandacht wordt besteed aan de stralingsgehardheid, waardoor de elektronische componenten beter bestand zijn tegen ioniserende straling uit de ruimte. Deze straling kan bestaan uit hoogenergetische elektromagnetische straling, zoals gammafotonen, of uit elektrisch geladen deeltjes die zich bevinden in de zonnewind en de zogeheten kosmische straling. Het effect op elektronica is op termijn desastreus; het lijkt wel of de component snel verslijt. Er ontstaan lekstroompjes, ‘gaten’ in opslagmedia, en bovendien kan de gevoeligheid teruglopen. Erger is dat ioniserende straling kan leiden tot ‘valse’ signalen en onbedoelde respons van de circuits. In het ergste geval kan een instrument zich zo spontaan uitschakelen, al of niet gevolgd door een herstart. Om dat tegen te gaan worden de componenten zodanig ontworpen dat onbedoelde effecten als vanzelf worden geneutraliseerd. Een aangetast stukje van een component kan automatisch worden omzeild door het ‘verkeer’ naar vergelijkbare onderdelen om te leiden. Ook kunnen circuits dubbel of driedubbel worden uitgevoerd waardoor afwijkingen in één circuit kunnen worden ‘weggestemd’. En uiteraard wordt aandacht besteed aan de beschermende behuizing. Overigens: hoe kleiner de componenten, hoe lager de trefkans op schadelijke straling.{end-tooltip}

De vluchtelektronica is voorzien van computerkracht, zowel in de vorm van ‘echte’ computers aan boord als embedded software, ‘ingebakken’ in de elektronische instrumentatie. Zulke software is bedoeld voor uiteenlopende taken, zoals

Afhandelen van de communicatie met de centrale boordcomputer van en naar een instrument. Dit kan handmatig door in de instructies aan te geven om welke hardware het gaat, om welke parameter het gaat en wat de ingestelde waarde moet zijn. Het kan ook (semi)automatisch via voorgeprogrammeerde scripts. Een commando leidt dan tot een serie voorgeprogrammeerde acties, of tot acties die worden uitgevoerd als aan bepaalde voorwaarden wordt voldaan.
Performance monitoring. Er kunnen gegevens worden doorgegeven die rechtstreeks van het instrument komen, zonder voorbewerking, of statistische informatie over de signalen die door het instrument worden gemeten. Dergelijke faciliteiten kunnen belangrijk zijn voor het periodiek ijken van het instrument.
Statusinformatie. Op verzoek of op vastgestelde tijden kunnen de actuele waarden van parameters, zeg maar de ‘standen van de metertjes’ aan het instrument worden uitgelezen. Te zien is bijvoorbeeld of bepaalde waarden ruim, of maar juist, binnen de vooraf gedefinieerde veilige grenzen blijven. De embedded software kan, bij overschrijding, bepaalde acties uitvoeren, waaronder het (tijdelijk) uitschakelen van het instrument om schade te voorkomen.
Voorbewerken van meetresultaten. In de embedded software kan analoge informatie worden gedigitaliseerd, of kunnen ‘valse’ signalen worden weggefilterd voordat de gegevens naar de centrale boordcomputer worden verstuurd.

Inzet

Voorbeelden van IC’sdie door SRON zijn ontworpen en geschikt gemaakt voor toepassingen in ruimtemissies zijn:

Een omzetter voor een analoog signaal in een digitaal signaal, 24-bits
Een omzetten voor een digitaal signaal naar een analoog signaal, 24 bits
Een temperatuursensor

Deze componenten zijn ontwikkeld met het oog op een mogelijke Marslander (ExoMars) van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. De omzetters zijn ook geschikt voor gebruik in aardse toepassingen zoals seismometers, versnellingsmeters, medische apparatuur, servo/actuator-systemen, audioapparatuur en opnemers voor het instrumenteren van nieuw ontwikkelde technische producten. De temperatuursensor geeft een grote nauwkeurigheid en een bereik tot onder de -100 °C, geschikt voor inbouw in cryogene toepassingen.

Embedded software is ontwikkeld voor instrumenten als de HIFI-detectoren van ESA’s Herschel-satelliet, en worden ontwikkeld voor het SAFARI experiment aan boord van de Japans/Europese SPICA-satelliet. Daarnaast kunnen er ook aardse toepassingen worden ontwikkeld voor bijvoorbeeld laboratoriumexperimenten waarbij een zeer snelle reactie op veranderende situaties moet worden uitgevoerd. De tijd om zo’n actie via een centrale computer te genereren, is dan te lang.

Daarnaast werkt SRON samen met TNO aan de front-end elektronica van het toekomstige aardobservatie-instrument TROPOMI, en van ESA’s toekomstige LISA-project (meten van zwaartekrachtsgolven uit het heelal). Ook bij de inmiddels vervallen ESA-missie DARWIN (onder andere karakteriseren van aardachtige planeten bij andere sterren) was SRON betrokken bij de ontwikkeling van front-end elektronica.