Using a Reconfigurable FPGA for Emerging Space Applications

Beschreibung

Abstract (English)

Modern satellites offer an extraordinary opportunity for flying new innovative applications and new concepts. A wealth of state-of-the-art, commercially available hardware, supported by software written by an open community of developers, could revolutionise the idea of what a satellite can do. However, as satellites operate in a harsh environment with limited visibility and accessibility, there is a healthy scepticism about flying such new developments when not essential to the mission. The aim of the OPS-SAT mission is the synthesis of this apparent contradiction. The spacecraft allows a large variety of configurations and experimental applications. To facilitate this, at the centre of the payload is a powerful processing platform which is well connected and equipped with a reconfigurable Field-Programmable Gate Array (FPGA). However, there is little experience with reconfigurable computing in space applications. This thesis discusses and describes the operational challenges faced on OPS-SAT and the resulting solutions, e.g. advanced recovery scenarios, adaptive testing and debugging capabilities, and new (hardware) implementations, all of which were implemented in orbit. Furthermore, it demonstrates the high potential and the increased resilience to failures achieved due to these reconfiguration capabilities. It also shows how the availability of such a platform can change the on-board development process to become faster, more adaptable and more agile. These findings could be valuable for upcoming missions in providing experience and ideas for an efficient and safe use of this technology. Furthermore, it may encourage the space industry to utilise more reconfigurable hardware in future missions, as it has now been demonstrated to offer enhanced adaptability throughout all phases of a mission. At another scale, it shows how reconfigurable computing has the potential to expand the solution space for any hard-to-access system, including but not limited to, space applications.

Abstract (German)

Moderne Satelliten bieten außergewöhnliche Möglichkeiten für neue innovative Anwendungen und neue Konzepte. Hochmoderne, kommerziell erhältliche Hardware, unterstützt durch Software, die von einer offenen Gemeinschaft von Entwicklern geschrieben wurde, könnte die Vorstellung davon, was ein Satellit zu leisten vermag, revolutionieren. Da sich Satelliten jedoch in einer rauen Umgebung mit eingeschränkter Sichtbarkeit und Zugänglichkeit befinden, besteht eine durchaus begründete Skepsis gegenüber dem Einsatz solch neuer Entwicklungen, sofern sie für die Mission nicht unabdingbar sind. Das Ziel der OPS-SAT-Mission ist die Synthese dieses scheinbaren Widerspruchs. Der Satellit soll hierzu eine große Vielfalt an Konfigurationen und experimentellen Anwendungen unterstützen. Um dies zu ermöglichen enthält er eine leistungsstarke Prozessorplattform, die gut vernetzt und mit einem rekonfigurierbaren Field-Programmable Gate Array (FPGA) ausgestattet ist. Allerdings ist die Erfahrung mit rekonfigurierbaren Rechensystemen in Weltraumanwendungen begrenzt. In dieser Arbeit werden am Beispiel von OPS-SAT die betrieblichen Herausforderungen und die sich daraus ergebenden Lösungen erörtert und beschrieben. Dazu gehören beispielsweise fortgeschrittene Wiederherstellungsszenarien, adaptive Möglichkeiten für Tests und zur Fehlersuche, und neue (Hardware-)Implementierungen, welche alle im Orbit umgesetzt wurden. Darüber hinaus wird das große Potential und die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen aufgezeigt, die durch diese Rekonfigurationsmöglichkeiten erreicht werden. Dies zeigt auch, wie die Verfügbarkeit einer solchen Plattform den Entwicklungsprozess an Bord verändern kann, um schneller, anpassungsfähiger und agiler zu werden. Diese Ergebnisse können für künftige Missionen nützlich sein, da sie Erfahrungen und Ansätze für die effiziente und sichere Nutzung dieser neuen Technologie liefern. Darüber hinaus könnten sie die Raumfahrtindustrie auch dazu motivieren, in Zukunft mehr rekonfigurierbare Hardware einzusetzen, da diese nun erwiesenermaßen in jeder Phase einer Mission eine erhöhte Anpassungsfähigkeit und Flexibilität bietet. Auf einer anderen Ebene demonstriert dies, wie rekonfigurierbare Rechnerarchitekturen das Lösungsspektrum von schwer zugänglichen Systemen erweitern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Raumfahrtanwendungen.

Table of contents (English)

• Preface
• Acknowledgements
• Abstract

1.  Introduction
2.  OPS-SAT Mission and Spacecraft
   1.  Mission Features
   2.  Communications
   3.  Experimental Processing Platform
   4.  Provided Software
   5.  Payloads
3.  Initial Design
   1. Experimental Categories
   2.  System Level Fault Detection, Isolation and Recovery
   3.  Processing Platform Safe Boot Strategy
   4.  FPGA Reconfiguration
   5.  Brief History of OPS-SAT Operations
4. Recovering SDRAM
   1. The Broken SDRAM
   2. Reviving the Second Core
   3. Conclusion
5. Boot Strategy Revisited
6. Testing Bypass Mode
   1. Pre-Launch Testing
   2. In-Orbit Testing
   3. Control and Monitoring
   4. Results
   5. Conclusion
7. Implementing SpaceWire
   1. Evolution of an Alternative Link
   2. The SpaceWire Standard
   3. IP Core Selection
   4. Implementation and Deployment
   5. Results
   6. Conclusion
8. Debugging SpaceWire
   1. System-level Debugging Framework
   2. Integration on OPS-SAT
   3. Deployment
   4. Measurement Results
   5. Conclusion
9. Final Remarks and Outlook
   1. Summary and Lessons Learnt
   2. Conclusion

• Kernel SMP Bringup
• Supplementary Figures
  1. Spare Unit’s eMMC Erase Counters
  2. X-band Signal Analysis
  3. Full SpaceWire Traces
• Contributions
• Bibliography