Aktualność
Mateusz Brzostek i Arkadiusz Świostek, Piątek, 15 września 2017, 10:33

Sonda Cassini, od lat badająca Saturna, jego pierścienie i księżyce, wykonuje właśnie swój ostatni manewr: upadek prosto w atmosferę Saturna, gdzie zostanie zniszczona przez ciśnienie i temperaturę. Wraz z nią zostanie zniszczony najszybszy komputer poza pasem asteroidów.

Śmierć Cassini

Najszybszy komputer za pasem asteroidów

Sonda Cassini została zaprojektowana i zbudowana w pierwszej połowie lat 90. XX wieku. Została wystrzelona w kosmos w 1997 roku i już wtedy nie była cudem techniki półprzewodnikowej. Kiedy ją projektowano, nowoczesne i wydajne procesory takie jak pierwszy Intel Pentium były 32-bitowe, miały taktowanie nieco poniżej 100 MHz – ale jak zwykle bywa, przysłowiowa kosmiczna technika nie nadążyła za postępem w komercyjnej elektronice. W Cassini jest jednak wiele technik półprzewodnikowych, które dopiero po latach zaczęliśmy wykorzystywać w domach.

Cassini znalazła się na orbicie Saturna w 2004 roku, choć obserwacje rozpoczęła już wcześniej. Przez ostatnie kilkanaście lat robi szczegółowe zdjęcia czterema aparatami cyfrowymi oraz całą baterią instumentów wykrywających pola magnetyczne, obecność pyłu i cząstek elementarnych. Cassini jest największym robotycznym pojazdem, który ludzkość wysłała do zewnętrznej części Układu Słonecznego – ma prawie 7 metrów długości, bez paliwa waży około 2,5 tony i jest ponad pięć razy cięższa, niż sonda New Horizons, która w zeszłym roku zbliżyła się do Plutona. 

Na stronie internetowej laboratorium JPL możecie obejrzeć trójwymiarowy model sondy. Częścią misji Cassini-Huygens był lądownik Huygens, niewielki pojazd, który wylądował na powierzchni Tytana – księżyca Saturna w 2005 roku. Lądownik pracował na powierzchni Tytana przez ponad godzinę i przesłał cenne dane o składzie atmosfery, jak również jedyne zdjęcia z powierzchni innego ciała niebieskiego niż Mars, Wenus, Księżyc i asteroidy.

Zasilanie

Zasilanie Cassini zapewniają trzy generatory RTG, w których radioaktywny pierwiastek rozpada się nieustannie i generuje ciepło. Energia cieplna jest przekształcana na prąd dzięki kilkudziesięciu termoparom – stykom krzemu i germanu, które pod wpływem ciepła wytwarzają niskie napięcie (efekt Seebecka). Na Ziemi używamy termopar głównie jako czujników temperatury, na przykład tych, które są dołączane do płyt głównych z najwyższej półki albo używane przy ekstremalnym podkręcaniu.

Ponieważ nawet trzy generatory nie zapewniają dość mocy, żeby włączyć na raz wszystkie instrumenty naukowe sondy, zasilanie jest przełączane pomiędzy różnymi podsystemami sondy przez półprzewodnikowe przekaźniki. 192 takie przekaźniki zastępują mechaniczne przekaźniki z elektromagnesem, ale nie tylko: podobnie jak zintegrowane tranzystory mocy w dzisiejszych płytach głównych, zapewniają też monitorowanie prądu i napiecia i działają też jako bezpieczniki.

Komputery sterujące i IBM 1750A – militarny relikt

Cassini ma cztery główne komputery: parę EFC (Engineering Flight Computer) oraz parę AFC (Attitude and Articulation Flight Computer). EFC jest „mózgiem” sondy i steruje aparaturą badawczą. AFC służy do nawigacji i utrzymywania odpowiedniej orientacji sondy (czyli kierowania anteny na Ziemię lub aparatury badawczej na badany obiekt). Komputery AFC i EFC pracują równolegle, po dwa: dzięki temu w razie awarii jednego z nich sonda może nadal funkcjonować; mogą też wzajemnie kontrolować swoją pracę porównując wyniki.

Sercem każdego z czterech głównych komputerów Cassini jest procesor IBM 1750A. Procesor jest zgodny z architekturą opisaną przez amerykański militarny standard MIL-STD-1750A. To 16-bitowy procesor z przestrzenią adresową 1 MB (lub 2048 MB – z opcjonalnym układem zarządzania pamięcią), pokrewny do znanego najstarszym użytkownikom komputerów PDP-11. Szczegóły implementacji nie są znane, bo architektura MIL-STD-1750A zostawia producentom dowolność. Procesor ma taktowanie 7,4 MHz, co daje mu wydajność podobną do słynnego 8086. Nie znamy techniki produkcji, choć można się domyślać, że wykorzystano proces technologiczny klasy kilku mikrometrów1 mikrometr = 1000 nanometrów. Intel 386 był produkowany w procesach technologicznych 1,5 oraz 1 mikrometr. oraz podłoże SOI (silicon on insulator) lub ze szkła szafirowego.

Zabezpieczona przed promieniowaniem pamięć SRAM – pamięć robocza komputera EFS w Cassini

Architektura MIL-STD-1750A jest jednym z koni pociągowych w militarnej, lotniczej i kosmicznej technice. Powstały dziesiątki implementacji, znacznie szybszych i wydajniejszych, niż oryginalne procesory. 1750A wykorzystywane były w samolotach myśliwskich (F16, F-18, F-111) i wielu innych misjach kosmicznych, między innymi w sondzie Rosetta czy orbiterach Marsa: indyjskim Mangalyaan i amerykańskim Mars Global Surveyor. Dziś procesory 1750A ciągle są używane w nowych satelitach, na przykład w serii GOES zapewniającej obserwacje chmur i prognozowanie pogody, niektórych satelitach Intelsat dostarczających telewizję satelitarną, czy w satelitach obserwacyjnych dostarczających orbitalne zdjęcia np. do Google Maps.

Najnowsze i najszybsze procesory zgodne z architekturą 1750A jedynie ją emulują – nowoczesne architektury są tak wydajne, że emulator 1750A jest atrakcyjniejszy, niż zbudowanie nowej wersji przestarzałego procesora.

SSR – kosmiczny SSD

Ponieważ zebranych danych naukowych nie da się przesyłać na bieżąco na Ziemię, Cassini zapisuje je w dwóch blokach pamieci półprzewodnikowej – SSR (Solid State Recorder). Każdy z nich mieści ok. 256 MB danych, ale nie cała przestrzeń jest wykorzystywana na rezultaty badań. Oprogramowanie sondy jest przechowywane w dwóch kopiach, po jednej w każdym SSR, i w dwóch wersjach: aktualnej i poprzedniej, co pozwala przywrócić stan sprzed aktualizacji.

W czasie projektowania i budowy Cassini był to niemal szczyt techniki SSD. W tych samych latach do użytku trafiły pierwsze karty pamięci w standardach CompactFlash i SmartMedia – miały pojemność od 2 do 8 megabajtów.

Aparaty cyfrowe

Aparatura obserwacyjna Cassini składa się z kilku spektrometrów o niskiej rozdzielczości oraz dwóch wysokorozdzielczych aparatów cyfrowych: jednego z szerokokątnym obiektywem 200 mmW skali kosmicznej taka ogniskowa jest „szerokokątna”, bo sonda zwykle znajduje się bardzo daleko od badanych obiektów., drugiego z teleobiektywem 2000 mm. Aparaty mają rozdzielczość ok. 1 megapiksela i zbierają światło nieco wykraczające poza zakres widzialny przez ludzi: od 200 do 1100 nm, czyli od bliskiego ultrafioletu do bliskiej podczerwieni.

Kiedy konstruowano Cassini można było już kupić pierwsze komercyjne aparaty cyfrowe z matrycami o rozdzielczości poniżej 2 megapikseli (i wykorzystujące wspomniane wyżej karty pamięci). Większość z nich była przerobionymi lustrzankami kliszowymi i kosztowała po kilkanaście tysięcy dolarów (ok. 100 tysięcy złotych po uwzględnieniu inflacji).

Komunikacja z Ziemią

Konstruktorzy musieli zadbać o zapewnienie dwustronnej komunikacji pomiędzy sondą i Ziemią. Cassini nie jest oczywiście pierwszą sondą kosmiczną wysłaną przez człowieka w przestrzeń kosmiczną, toteż już wcześniej została zaprojektowana odpowiednia infrastruktura na Ziemi służąca do komunikacji oraz przeprowadzono badania dotyczące wyboru najbardziej optymalnego sposobu. Do przesyłania danych używa się mikrofal – okazuje się, że sygnał radiowy o częstotliwościach wyższych niż 1 GHz rozchodzi się w próżni prostoliniowo i może przenikać na bardzo duże odległości. Fale radiowe podzielone są na pasma na podstawie częstotliwości, która definiuje właściwości fal radiowych – na przykład propagację w określonych ośrodkach. Do komunikacji Ziemia-kosmos nie wystarczyło wybrać dowolną częstotliwość z zakresu mikrofal, wyższą niż 1 GHz - konieczne było znalezienie okna, czyli wąskiego, najbardziej optymalnego do tego zastosowania zakresu częstotliwości, które będą możliwie w najmniejszym stopniu tłumione przez cząsteczki gazów w atmosferze ziemskiej, przez wiatry słoneczne, przez cząsteczki wody, promieniowanie tła itd. Do komunikacji Ziemia-kosmos wykorzystuje się zwykle pasma X (od 8 do 12,5 GHz) oraz S (od 2 do 4 GHz), a sonda Cassini wykorzystuje tylko pasmo X.

Komunikacja nie byłaby możliwa bez infrastruktury na Ziemi, która nazywa się DSN (Deep Space Network). Jest to sieć trzech dużych ośrodków nadawczo-odbiorczych. Ponieważ kula ziemska jest w stałym ruchu, ośrodki rozłożone są na jej powierzchni co 120 stopni, co zapewnia ciągłą komunikację z bezzałogowymi sondami kosmicznymi.

Na sieć DSN składają się ośrodki w Barstow (Kalifornia), Madrycie (Hiszpania) i Canberrze (Australia). Do komunikacji służą olbrzymie paraboliczne anteny o średnicy 34 lub 70 metrów.

Cassini została wyposażona w trzy anteny - jedną o bardzo dużym zysku 43 dBi HGA (High Gain Antenna) oraz dwóch o niskiej czułości LGA (Low Gain Antenna). Oczywiście antena HGA jest największym i najbardziej charakterystycznym elementem sondy: ma ona średnicę 4 metry i znajduje się na samej górze. Na jej czubku umieszono pierwszą antenę LGA-1, wykorzystywaną do komunikacji awaryjnej. 4-metrowa antena HGA służy również jako parasol słoneczny – osłania sondę przed nadmiernym nagrzewaniem się oraz chroni aparaturę pomiarową przed wiatrem słonecznym. Antenę LGA-2 zamontowano po przeciwnej stronie pojazdu i wykorzystuje się ją, kiedy HGA musi być obrócona w stronę Słońca.

System komunikacyjny sondy Cassini jak na obecne standardy nie zaskakuje prędkością transmisji. Polecenia z NASA/JPL przesyłane są do sondy za pomocą DSN w paśmie X (nadawanie na częstotliwości 8,43 GHz, odbiór na 7,2 GHz). Sygnał jest nadawany przez DSN z mocą 18 kW, natomiast prędkość transferu zależy od użytej anteny. W wypadku dużo większej i czulszej HGA można ustanowić transmisję z prędkością 500 bitów na sekundę, mniejsza LGA pozwala przesłać do sondy polecenia z prędkością 7,8125 bitów na sekundę.

System nadawczy sondy ma moc 20 W i z wykorzystaniem anteny LGA pozwala wysyłać dane na Ziemię z prędkością 5 bitów na sekundę. Użycie HGA znacznie podnosi szybkość transmisji – od 1,896 kb/s do 165 kb/s. Na przepustowość transmisji bezpośredni wpływ ma poziom odbieranego sygnału: im wyższy, tym szybciej przesyłane są dane. Maksymalny transfer można uzyskać tylko przy wykorzystaniu dużych, 70-metrowych anten w DSN.

Oprócz danych telemetrycznych zarejestrowanych przez sondę wraz z przekazywanym sygnałem nadawane są także informacje nawigacyjne. Do precyzyjnego wyznaczenia pozycji obiektu używane są także fale radiowe, dokładniej efekt Dopplera (ten sam, którym policja mierzy prędkość samochodów). Polega on na zmianie częstotliwości fali dochodzącej do Ziemi. Na podstawie tej różnicy można określić zmianę prędkości i położenia sondy. System telekomunikacyjny sondy został zaprojektowany tak, żeby w czasie 9 godzin wysłać na ziemię dane o wielkości od 1 do 4 Gb. Przez pozostałe 15 godzin sonda zapisuje wyniki swoich obserwacji we wspomnianej pamięci półprzewodnikowej.

Koniec 20-letniej kariery komputera

Spośród wszystkich 20-letnich komputerów, aparatów cyfrowych i pamięci półprzewodnikowych bardzo niewiele wciąż działa. Jeszcze mniej z nich jest wciąż przydatnych. Teraz sonda Cassini zostanie zniszczona przez warunki panujące w atmosferze Saturna.

Trajektoria ostatniej podróży Cassini. Kliknij, aby powiększyć!

Dzięki temu nie zostanie na chaotycznej orbicie w układzie Saturna i nie ryzykujemy, że jej upadek zakłóci naturalne warunki panujące na Tytanie i innych księżycach Saturna, które są najbardziej prawdopodobnym miejscem istnienia życia pozaziemskiego. 

Dowiedz się więcej o:

Źródło: własne, NASA
Konkurs Palit Polska
Ocena aktualności:
Ocen: 36
Zaloguj się, by móc oceniać
Ryzen (2017.09.15, 10:45)
Ocena: 27

0%
Ten dzisiejszy złom to tak zaprojektowany jest, aby po 5 latach zdechł nawet jeśli nie jest używany.
miszczu0097 (2017.09.15, 10:50)
Ocena: 28

0%
Ryzen @ 2017.09.15 10:45  Post: 1095002
Ten dzisiejszy złom to tak zaprojektowany jest, aby po 5 latach zdechł nawet jeśli nie jest używany.


Nie mam pytań xD
mfuker (2017.09.15, 10:50)
Ocena: 74

0%
A jednak można napisać interesujący artykuł dla Pclab! :)
Temp0 (2017.09.15, 10:52)
Ocena: 24

0%
PCLab: 'Lądownik pracował na powierzchni Tytana przez 1,5 godziny'
Źródło, do którego odsyła: 'The probe survived another 72 minutes on the surface of Titan'.

Artykuł traktuje o nauce. Wypadałoby zatem naukowo napisać 72 minuty lub godzinę i dwanaście minut. To chyba nie takie trudne, a świadczyłoby o szacunku dla czytających i uczących(?) się z waszych informacji.
czolgista778 (2017.09.15, 10:53)
Ocena: 26

0%
Artykuly o kosmosie sa fascynujace. Samo to jak czlowiek potrafi przesylac dane az tak daleko, niesamowite i jakie technologie posiadala ESA/NASA tak dawno temu.
Edytowane przez autora (2017.09.15, 10:54)
iwanme (2017.09.15, 10:53)
Ocena: 21

0%
Fajny artykuł.

Szkoda sondy, mogli spróbować ją umieścić na stabilnej orbicie któregoś z satelitów, albo samego Saturna.
Potem za 500 lat mogli by ją ściągnąć do muzeum, bo to kawałek kosmicznej historii w końcu...
czolgista778 (2017.09.15, 10:55)
Ocena: 16

0%
iwanme @ 2017.09.15 10:53  Post: 1095008
Fajny artykuł.

Szkoda sondy, mogli spróbować ją umieścić na stabilnej orbicie któregoś z satelitów, albo samego Saturna.
Potem za 500 lat mogli by ją ściągnąć do muzeum, bo to kawałek kosmicznej historii w końcu...

Musieli by ja sciagnac jakims innym statkiem kosmicznym, reaktory RTG maja okreslony zywot i z kazdym rokiem ich moc mimo wszystko spada.
JTN5M (2017.09.15, 10:58)
Ocena: 30

0%
Ryzen @ 2017.09.15 10:45  Post: 1095002
Ten dzisiejszy złom to tak zaprojektowany jest, aby po 5 latach zdechł nawet jeśli nie jest używany.

A za 10 lat teksty pokroju '10 lat temu projektowano wytrzymaly sprzet, a nie to co dzisiaj'. :E
Edytowane przez autora (2017.09.15, 10:58)
Kitu (2017.09.15, 11:14)
Ocena: 42

0%
JTN5M @ 2017.09.15 10:58  Post: 1095012
Ryzen @ 2017.09.15 10:45  Post: 1095002
Ten dzisiejszy złom to tak zaprojektowany jest, aby po 5 latach zdechł nawet jeśli nie jest używany.

A za 10 lat teksty pokroju '10 lat temu projektowano wytrzymaly sprzet, a nie to co dzisiaj'. :E


100 000 lat temu to dopiero wytrzymały sprzęt był - jak szwagier kamień do domu przyniósł, to kolejne 10 pokoleń go używało :D
revcorey (2017.09.15, 11:14)
Ocena: 24

0%
ale jak zwykle bywa, przysłowiowa kosmiczna technika nie nadążyła za postępem w komercyjnej elektronice

Przecież to bzdura. Procki komercyjne nawet by się nie uruchomiły tam. Proces produkcyjny itp., muszą być inne. jest związane z promieniowaniem kosmicznym. I wykorzystano szereg różnych technologi aby się przed nim bronić. Po prostu to są dwie różne gałęzie i jakiekolwiek porównania mijają się z celem. I o ile pamiętam taki procek to 100 tys. $ za sztukę.
Edytowane przez autora (2017.09.15, 11:15)
Zaloguj się, by móc komentować
Aktualności
Jeżeli pasjonujesz się technologiami i sprawnie władasz piórem, zgłaszaj się! 1
Rybę Ci wyślę, w gazecie. 12
Więcej terabajtów do wykorzystania. 1
Mikrotransakcje są teraz passé? 12
Świetne wyniki finansowe Nvidii nie były przypadkiem. 10
Klawiatura mechaniczna dla wymagających. 12
Czarny Piątek we wtorek. 4
Poznaliśmy też cenę w przedsprzedaży. 17
Tragiczny wynik, którego każdy się spodziewał. 30
Przepraszają, ale za plecami krzyżują palce. 54
Było wzgórze i nie ma wzgórza. 22
Wygląda to naprawdę ładnie. 24
Niedroga hybryda z Core M3. 21
Bot zobaczył, łapki w górę nie dał. 5
Intel Optane będzie mieć rywala. 27
Duży sukces polskiej gry. 14
Artykuły spokrewnione
Facebook
Ostatnio komentowane