Entrevista a Pablo Gutierrez Marqués: Sistemas informáticos de a bordo

¿Como es el ordenador de a bordo de una nave espacial? Una nave espacial, una vez lanzada, no hay posibilidad de enviar un técnico a repararla, así que sus componentes, simplemente, no pueden fallar. En esta parte de la entrevista, Gutierrez Marqués nos explicará como son las máquinas que se usan en este entorno tan duro.

Originalmente, este bloque tenía previsto dividirlo en dos partes, pero como había preguntas que Pablo no me podía contestar, al final ha quedado con un tamaño suficiente para caber en una sola entrada.

Sabemos que los microchips que se usan en las naves espaciales no son como los que tenemos en nuestros ordenadores personales. La pregunta es, ¿Son los mismos chips, pero que han pasado unos controles de calidad mucho mas estrictos, o son componentes fabricados especialmente?

Los chips que se utilizan en los instrumentos espaciales son diferentes de los comerciales porque utilizan tecnologías específicas para resistir el entorno de radiación a que se ven expuestos, pero el diseño lógico no varía en lo sustancial. En nuestro caso, utilizamos un Xilinx para emular un procesador Leon, que tiene versiones comerciales, pero por supuesto nuestra oblea tiene una densidad de transistores mucho menor y un consumo substancialmente mayor de lo que se puede conseguir en un procesador para entorno terrestre.

FPGA de Xilinx, similar a la utilizada en la cámara de la sonda Dawn

Dices que el microprocesador lo programais en una FPGA de Xilinx. ¿Es esto lo habitual? Los componentes ASIC (los diseñados específicamente para una función) son mas eficientes, pero las FPGA permiten diseños mas flexibles. ¿Significa esto que los ordenadores se diseñan específicamente para cada nave? A la hora de ensamblar el ordenador que va dentro de una nave, ¿Se parte de unos modelos estandarizados, o en cada misión el diseño es totalmente nuevo?

La ventaja de las FPGA es que son muchísimo mas baratas para desarrollos de pocas unidades. En nuestro caso el desarrollo se hizo en una FPGA re-escribible de calidad comercial hasta que se comprobó que la programación era correcta, luego se verificó en una ROM y finalmente se programaron las FPGAs de vuelo. Es decir que sólo compramos una veintena de unidades estándar de calidad espacial.

En el desarrollo por ASICs, una vez que el diseño está programado en una FPGA hay que traducirlo en modulos hard-wired en el diseño del ASIC, y este es un paso lento, muy delicado y bastante caro. En nuestro caso, para sólo una veintena de unidades no merecía la pena en coste y plazo.

¿Que mas me puedes contar de los controles de calidad? Me han dicho que, para cada chip que tiene que viajar en una sonda, se producen varias unidades; la mayoría los destrozan en las pruebas de calidad y el últiimo es el que se coloca en la nave. Al margen de lo exagerada que pueda ser esta afirmación, una nave espacial es un objeto que debe pasar años en un entorno muy duro y sin posibilidad de revisiones ni reparaciones, lo significa que todo tiene que funcionar a la perfección y, en consecuencia, los controles de calidad han de ser muy duros.

En los controles de calidad hay que diferenciar los ensayos unitarios de los de cualificación. Éstos últimos se realizan en una fracción pequeña de las piezas, sometiéndolas a condiciones límites y, ocasionalmente, más allá hasta ver dónde fallan. Estos ensayos destructivos se llevan a cabo sobre unas pocas unidades de cada lote, para poder detectar variaciones en el proceso de producción. Si un lote falla en la cualificación, no sirve para el espacio.

Por otra parte, en el espacio no nos podemos permitir montar una pieza defectuosa, por lo que todas y cada una de las unidades se someten a ensayos funcionales previos, para comprobar que son capaces de llevar a cabo su trabajo en diversas condiciones, pero siempre sin poner en peligro la propia unidad.

Sin embargo, a pesar de todas las precauciones, es posible que una pieza acabe fallando, por lo que los sistemas espaciales incorporan con frecuencia redundancia funcional: dos o más circuitos que pueden desempeñar la misma función, de manera que si uno falla se puede ordenar a otro que tome el mando. Por supuesto, la redundancia tiene un precio en masa (= coste), piezas (= coste), consumo eléctrico (= coste), etc., así que los ingenieros tenemos que busca el equilibrio adecuado entre la fiabilidad de los componentes y el coste de la duplicación.

Cámara de la Dawn. La cámara lleva su propio ordenador, independiente del ordenador principal de la nave

¿Cual es el peor enemigo de los componentes electrónicos de una nave espacial? ¿Las radiaciones cósmicas, los cambios de temperatura, las vibraciones, …?

Si se me permite la licencia, el peor enemigo de un componente electrónico es aquel que consigue dejarlo fuera de servicio. En otras palabras, cualquiera de los efectos que has mencionado, si son suficientemente severos, acaban afectándoles. Esto supone que hay que tomar precauciones especiales para tratar de retrasar sus efectos en la medida de lo posible.
Los efectos térmicos se combaten, al igual que en tierra, distribuyendo la disipación y proporcionando vías de refrigeración. Además, hay que asegurarse que la conexión a las placas electrónicas se realice de manera que la expansión diferencial no produzca tensión.
Los efectos dinámicos son normalmente muy débiles en los componentes más pequeños, y los más grandes hay que anclarlos para evitar que entren en resonancia mecánica.
Con respecto a la radiación, hay de todo, desde componentes mecánicos que son esencialmente insensibles a la radiación a otros, como las lentes y los CCDs que van empeorando irremisiblemente con el paso del tiempo. La cuestión importante entonces es ajustar la degradación a la vida útil deseada del instrumento.

Es decir, los componentes hay que diseñarlos con un amplio margen de dilatación térmica. Esto no sorprende, porque sabemos que en el espacio las variaciones de temperatura entre las zonas expuestas a la luz del Sol y las zonas a la sombra son extremas, lo que obliga a envolver la nave con aislante y dotarla de un sistema de refrigeración. ¿Cuales son las temperaturas mínima y máxima que soporta la nave? El interior de la nave, ¿Sufre también estas oscilaciones, o el aislamiento las amortigua de una forma eficaz?

Como ya sabes, la temperatura de un cuerpo en el espacio depende únicamente de tres cosas: la distancia al sol, que da la potencia de la iluminación; la reflectancia superficial, que determina cuánta de la potencia recibida es absorbida por el cuerpo; y la transmisión del calor a otros cuerpos o al espacio profundo.

En nuestra nave, a 2.25 UA, las superficies más calientes pueden estar a unos 10 C, mientras que las más frías pueden alcanzar 90 o 100 bajo cero. El interior de la nave está regulado en un rango de temperaturas más razonable (hasta -20) por medio del aislamiento térmico, que minimiza tanto la irradiación como la evacuación de calor, y de la disipación eléctrica de los diferentes componentes de la nave. Al fin y al cabo, los paneles solares siguen produciendo unos 3 kW de potencia de manera casi constante.

IBM RAD-6000, el ordenador principal de la Dawn

Las vibraciones sabemos que son el peor enemigo de los discos duros, y tengo entendido que esto es lo que hace imposible uitilizarlos en las cápsulas espaciales. ¿Que tipo de dispositivos de almacenamiento se usa en una nave espacial? Hoy día tengo entendido que se usan memorias flash, pero esta es una tecnología muy reciente; ¿Que se utilizaba en el pasado?

En el pasado se utilizaron durante mucho tiempo cintas magnéticas o fotográficas, pero en sistemas de poca capacidad y con gran cantidad de componentes mecánicos, lo que los hacía relativamente poco fiables. En este sentido las memorias de estado sólido han sido una gran ventaja.

Por otro lado, el problema de los discos duros no son las vibraciones. Al fin y al cabo los instrumentos nunca son de utilidad durante el lanzamiento, que es cuando se produce la mayoría de las vibraciones. El problema de los discos duros es que se basan en la lubricación gaseosa producida por el aire que pasa entre el disco y la cabeza lectora. Sin aire, no hay lubricación y la cabeza raya el disco. El uso de discos duros en el espacio requiere compartimentos presurizados, que añaden complejidad al diseño y por lo tanto no suelen usarse.

¿Puedes darme la ficha técnica del ordenador de a bordo de la Dawn? Por lo que me has dicho antes, el procesador es un Leon de 32 bits, compatible SPARC… ¿Cuanta memoria RAM, ROM, FLASH, … incluye? Los buses de comunicación, ¿Se ajustan a algún estándar conocido, o son diseños ad-hoc?

El ordenador de la cámara es un Leon de 32 bits. El de la nave es un IBM RAD6000, pero otros detalles están protegidos por la normativa ITAR y ni siquiera nosotros los conocemos.

Las comunicaciones en la placa base son una combinación de enlaces punto a punto (principalmente conexiones EIA-422) y buses (en nuestro caso MIL-STD 1553).

El EIA-422 es una versión ampliada del RS-232, los populares puertos COM de nuestros PCs

¿Como es el software del ordenador de a bordo? ¿Utiliza algún sistema operativo conocido? ¿En que lenguaje se programa?

El software de la cámara está basado en un sistema de tiempo real RTEMS, con una capa de drivers específicos para los diferentes subsistemas de la cámara. Por encima de todo esto, el software de aplicación está escrito en una variante de C llamada OCL, desarrollado por la Universidad de Braunschweig.
El RAD6000 de la nave corre sobre VxWorks.

Y para terminar, hablanos del sistema de comunicaciones de la nave. ¿En que frecuencia funciona el transmisor? ¿Cual es la velocidad de transmisión de datos? ¿Cual es su potencia de emisión? ¿Como protegeis la integridad de la transmisión? El protocolo de comunicaciones incorpora un subprotocolo de detección y corrección de errores de transmisión, pero, ¿Es suficiente? ¿Os habéis visto obligados a retransmitir un mensaje porque en la primera emisión llegó corrompido?

Estos datos estan mayoritariamente protegidos bajo el reglamento ITAR y no los conocemos. Sí sabemos que la velocidad máxima de transmisión es de 124 kbps y la única redundancia que tenemos es la comprobación de integridad en subida: si los comandos llegan corruptos a la nave, ésta los descarta y tenemos que enviarlos de nuevo. En la bajada, en cambio, no hay redundancia posible: si un paquete llega corrupto, se decodifica la imagen sin él o se descarta la imagen por completo. Para compensar estas posibles pérdidas, el plan de observación incluye redundancia en la adquisición, se toman más imágenes de lo necesario por si alguna se pierde por el camino.

Y con esto termina la entrevista a Pablo Gutierrez Marqués, director de operaciones de la cámara de la sonda Dawn. Me ha encantado entrevistar a Pablo, en primer lugar, porque para mi es una experiencia nueva; esta es la primera entrevista que publico en el blog; y en segundo lugar, porque he podido apartarme de los cuestionarios típicos y preguntarle las cosas que siempre he querido saber.

Las otras partes de la entrevista son:

  1. Interioridades de una misión espacial
  2. La cámara de la sonda Dawn
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