Od 2021 roku firma KP Labs współpracuje z Centrum Badań Kosmicznych PAN w celu opracowania GLOWS (Global Solar Wind Structure) – fotometru przeznaczonego dla misji badawczej NASA Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP).
GLOWS będzie jednym z dziesięciu instrumentów naukowych na pokładzie sondy kosmicznej IMAP. Instrument jest opracowywany i budowany w CBK PAN. Start sondy kosmicznej IMAP na pokładzie rakiety SpaceX Falcon 9 planowany jest na 2025 rok. Sonda zostanie umieszczona w pierwszym punkcie Lagrange'a (L1) i będzie orbitować wokół Słońca w odległości1,5 mln km od Ziemi.
Dwadzieścia cztery znakomite ośrodki badawcze i uniwersytety z całego świata współpracują nad eksperymentami, które mają być umieszczone na pokładzie satelity IMAP. Jego celem jest badanie heliosfery, czyli obszaru dookoła Słońca, utworzonym przez stały przepływ naładowanych cząstek wiatru słonecznego, wydostających się do Układu Słonecznego. Badanie heliosfery i jej interakcji z ośrodkiem międzygwiazdowym ma kluczowe znaczenie dla rozwoju nauki i inżynierii kosmicznej, wliczając w to najbliższe plany załogowych misji kosmicznych na Księżyc i Marsa. Heliosfera ma wpływ na całe środowisko Układu Słonecznego, chroniąc Ziemię przed promieniowaniem kosmicznym, decydując tym samym o możliwości jej zamieszkania.
Misje heliofizyczne prowadzone w ciągu ostatnich dziesięcioleci przyczyniły się do rozwoju wiedzy naukowej i lepszego rozumienia Słońca oraz do zrozumienia tego, w jaki sposób pogoda kosmiczna wpływa na technologie kosmiczne. Jednakże badacze IMAP wskazują na tajemnice związane z tempem przyspieszenia wiatru słonecznego i jego oddziaływaniem z przestrzenią międzygwiazdową. GLOWS jest instrumentem, który zostanie zainstalowany na satelicie IMAP. GLOWS ma za zadanie mierzyć ultrafioletową poświatę pochodzącą z rozkładu wodoru międzygwiazdowego. KP Labs dostarczy oprogramowanie komputera pokładowego instrumentu, udowadniając ponownie, że opracowana w Polsce innowacyjna aparatura i oprogramowanie mogą wspierać zaawansowaną eksplorację przestrzeni kosmicznej.
Oprogramowanie przesuwające granice możliwości sprzętu kosmicznego
Działanie komputera podkładowego GLOWS poza orbitą okołoziemską wymaga opracowania przez inżynierów i naukowców z KP Labs wysokowydajnego oprogramowania, odpornego na błędy. GLOWS składa się z fotometru Lyman-alfa: kolimatora z filtrem spektralnym i fotopowielacza kanałowego, wraz z systemem zbierania i przetwarzania danych opartym na układzie FPGA z odpornym na błędy procesorem LEON-3FT. Elektronika odpowiedzialna jest za zbieranie danych z detektorów, przetwarzanie i archiwizację oraz komunikację z obsługą naziemną.
KP Labs opracowuje oprogramowanie pokładowe dla instrumentu GLOWS, które będzie odpowiedzialne za kontrolę instrumentu i telemetrię, a także autonomiczne zbieranie, archiwizowanie i analizowanie danych naukowych. Oprogramowanie będzie również zarządzać i nadzorować sprzętem GLOWS, wspierając kilka trybów operacyjnych i współpracując z oprogramowaniem statku IMAP. Dodatkowo, ze względu na opóźnienia w komunikacji oraz ograniczenia łącza komunikacyjnego GLOWS, oprogramowanie pokładowe będzie automatycznie przetwarzać dane naukowe poprzez selekcję i binowanie, wysyłając przetworzone dane naukowe na ziemię.
KP Labs w oprogramowaniu wykorzystuje komponenty otwartoźródłowe (open source) takie jak system plików YAFFS i system operacyjny RTEMS (Real-Time Executive for Multiprocessor Systems). Planowane jest udostępnienie niektórych komponentów oprogramowania na zasadach open-source, z korzyścią dla społeczności naukowych i inżynierskich. Do tworzenia i testowania oprogramowania wykorzystuje się także wiele narzędzi typu open source takich jak kompilator GCC, emulator QEMU, język programowania Python, wiele otwartych bibliotek i programów oraz GIT – system kontroli wersji.
Grzegorz Gajoch, od 2019 roku inżynier ds. elektroniki i systemów wbudowanych w KP Labs, jest członkiem zespołu opracowującego sprzęt i pakiet oprogramowania GLOWS. Gajoch jest doświadczonym inżynierem, ze specjalizacją w systemach wbudowanych opartych na FPGA oraz programowaniu niskopoziomowym. W swej karierze pracował nad różnymi misjami satelitarnymi – od CubeSat-ów po misje kosmiczne na większą skalę, opracowując zarówno sprzęt jak i oprogramowanie do pracy na ziemi i w kosmosie.
Najważniejszymi cechami KP Labs są szeroka wiedza i bogate doświadczenie potrzebne do tworzenia modułowego i adaptowalnego oprogramowania i sprzętu, dla zastosowań konwencjonalnych i sztucznej inteligencji” wyjaśnia Gajoch. „Ponieważ większość zespołu od lat zajmuje się tworzeniem niezawodnych systemów, stosujemy dobre praktyki tworzenia oprogramowania i przeprowadzamy szeroko zakrojone testy i symulacje. Co więcej, dzięki przesuwaniu granic możliwości sprzętu i oprogramowania, zapewniamy wysoką wydajność i niezawodność przed lotem w kosmos.
Symulacje komputerowe są niezbędne dla inteligentniejszych, bardziej odpornych na błędy rozwiązań kosmicznych. Umiejętności KP Labs obejmują tworzenie sprzętu, oprogramowania i algorytmów przeznaczonych do przetwarzania danych pokładowych, tak jak w przypadku Smart Mission Ecosystem.
Jeśli chcemy zasymulować nieoczekiwane zdarzenie, które powoduje błąd krytyczny w oprogramowaniu czy sprzęcie, nie możemy go prawidłowo wstrzyknąć w działający system, bez uszkodzenia kosztownego sprzętu. Symulujemy tego rodzaju zdarzenia w emulatorach oraz przeprowadzamy rygorystyczne testy oprogramowania. Później, w fazie walidacji na sprzęcie, kontynuujemy testowanie oprogramowania z pomocą własnych symulatorów lub innych symulatorów komercyjnych, aby przygotować się do misji testując wszystkie możliwe zdarzenia – kontynuuje Gajoch.
Oprogramowanie instrumentu GLOWS zgodnie z planem
Prace KP Labs dla GLOWS przebiegają zgodnie z harmonogramem i ustalonym budżetem. Dzięki ciągłemu rozwojowi oprogramowania, które aktualnie spełnia podstawowe wymagania misji w zakresie zbierania i wysyłania telemetrii, wykonywania telekomend, detekcji, gromadzenia i analizy danych naukowych, zespół jest na dobrej drodze, aby dostarczyć gotowe oprogramowanie, potrzebne do testów integracyjnych w 2023 roku.
W przypadku tego rodzaju systemów satelitarnych, wszystkie założenia i projekty ewoluują w miarę pojawiania się szczegółów dotyczących innych instrumentów i platformy satelitarnej. Dzięki interdyscyplinarnemu zespołowi profesjonalistów z KP Labs, możemy współpracować z CBK PAN jako wartościowi partnerzy oraz wpływać na strategiczne decyzje dla projektu GLOWS na poziomie sprzętu, oprogramowania i architektury. Podejmowanie kluczowych decyzji wraz z CBK PAN ma kluczowe znaczenie dla architektury platformy satelitarnej IMAP oraz innych instrumentów.
Biorąc pod uwagę złożoność oprogramowania lotnego i jego kluczowe znaczenie dla sukcesu GLOWS, cieszymy się, że możemy współpracować z KP Labs. Programiści z KP Labs są niezastąpionymi członkami zespołu naukowego i inżynieryjnego GLOWS. Wykorzystujemy kompetencje KP Labs potrzebne do realizacji projektu. Jednocześnie KP Labs ma okazję zdobyć doświadczenie w dużym projekcie NASA, współpracując z czołowymi światowymi autorytetami w dziedzinie eksperymentów naukowych w kosmosie – powiedział Maciej Bzowski, kierownik eksperymentu GLOWS i profesor w CBK PAN.
KP Labs zostało założone w 2016 roku. Jest europejskim liderem w opracowywaniu autonomicznych systemów kosmicznych. Zapewnia sprzęt i oprogramowanie oparte na sztucznej inteligencji dla wymagających misji kosmicznych. KP Labs wdraża autonomię w misje kosmiczne w celu przyspieszenia eksploracji kosmosu. Ich produkt - Smart Mission Ecosystem – został zaprojektowany w oparciu o holistyczne podejście w celu umożliwienia przetwarzania danych na pokładzie na poziomie ładunku użytecznego i satelity, jak również w celu zwiększenia bezpieczeństwa misji i odporności na błędy. KP Labs uzyskało status Centrum Badawczo-Rozwojowego nadany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w Polsce.
Czytaj więcej:
- Misja IMAP
- NASA, Poland Sign Agreement to Build Instrument to Study Interplanetary Space
- Strona KP Labs
Źródło: KP Labs / CBK
Opracowanie: Elżbieta Kuligowska
Na zdjęciach: Należąca do NASA sonda Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP) pomoże lepiej zrozumieć naturę przestrzeni międzyplanetarnej, która jest zdominowana przez stały przepływ cząstek ze Słońca, zwany wiatrem słonecznym. 30 grudnia 2020 roku Polska podpisała umowę z NASA na budowę instrumentu GLOWS dla IMAP. (NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)
