Klávesové zkratky na tomto webu - základní­
Přeskočit hlavičku portálu


Jaké jsou počítače a komunikační systémy na sondě Cassini?

aktualizováno 
Meziplanetární sonda Cassini odstartovala ze Země už v roce 1997 a po téměř sedmiletém putování Sluneční soustavou dorazila k planetě Saturn. Zážeh raketového motoru ji uprostřed letošního léta navedl na oběžnou dráhu kolem této planety.
V následujících 4 letech oběhne Cassini Saturn celkem 76krát. Sonda bude moci z bezprostřední blízkosti zkoumat nejen samotnou planetu a její prstence, ale rovněž i její rozsáhlý systém měsíců. Součástí sondy je i modul Huygens, který se od ní později oddělí, na začátku příštího roku samostatně vstoupí do husté atmosféry měsíce Titan a přistane na jeho povrchu.

Počítačové vybavení

Sonda Cassini v číslech

Po technické stránce je Cassini nejsofistikovanější a nejkomplikovanější kosmickou sondou v celé historii. S výškou 6,8 metru a šířkou 4 metry vážila sonda na startu více než 5,5 tuny. Téměř 2,5 tuny připadá na hmotnost samotné sondy, která na počátku nesla více než 3 tuny paliva pro raketové motory. Mimo základní těleso o tvaru hranolu jsou umístněny komunikační anténa parabolického tvaru o průměru 4 metrů a 11 metrů dlouhé rameno, na kterém se nachází jeden z přístrojů - magnetometr.

Na palubě sondy nalezneme dvojici hlavních řídících počítačů a více než 50 dalších počítačů řídících jednotlivé systémy a přístroje. Pro hlavním změny dráhy je sonda vybavena dvojicí totožných raketových motorů, z nichž jeden slouží jako záložní, 16 hydrazinových motorků (polovina je záložních) slouží pro hrubé změny polohy a orientace sondy v prostoru, zatímco ty jemnější zajišťují čtyři reakční kola (jedno je opět záložním). Dohromady se sonda skládá z 22 tisíc elektrických spojů a při jejím sestavování bylo použito více než 12 kilometrů kabeláže.

Samotná sonda nese 12 vědeckých přístrojů, dalších 6 se jich nachází na modulu Huygens. Protože se sonda Cassini pohybuje ve velké vzdálenosti od Slunce, není možné, aby byla energií zásobena prostřednictvím slunečních panelů. Nese proto trojici generátorů, které k výrobě elektrické energie využívají přirozeného radioaktivního rozpadu plutonia. Po příletu k Saturnu dodávají tyto generátory 750 W energie, na konci výpravy (tj. 11 let po startu) by to mělo být stále ještě 630 W. Dále je uvnitř sondy umístněno 82 jednowattových generátorů - dalších 35 je na modulu - sloužících k udržování provozní teploty systémů sondy. Podobné "ohřívače" jsou mimochodem použity i u Mars Exploration Rovers, které stále pracují na povrchu Rudé planety.  

Nervové centrum

Nervovým centrem sondy je tzv. Command and Data subsystem (CDS). Jeho úkolem je zpracovat a ostatním subsystémům distribuovat příkazy obdržené z pozemského řídicího střediska, zpracovat data získaná vědeckými přístroji i dalšími čidly na palubě sondy a připravit je k odeslání zpět na Zemi. Všechny součásti CDS jsou duplikované a v případě selhání mohou být nahrazeny náhradními zdroji. Tento subsystém využívá řídicího počítače a záznamníku dat. Obě komponenty jsou opět duplikovány. Řídicí počítač je naprogramován v jazyce Ada. Kapacita každého palubního záznamníku je 2,0 GB dat.

CassiniCassiniCassini

Data získaná jednotlivými přístroji, stejně jako technická data o stavu jednotlivých subsystémů jsou nejdříve zpracována CDS a zformátována do podoby vhodné pro jejich přenos a poté předána rádiového systému, který zajistí jejich odeslání na Zemi. Každý z počítačů disponuje 512 kB paměti RAM a 8 kB programovatelné paměti PROM. Systém je schopný získávat a zpracovávat data z dalších subsystémů či vědeckých přístrojů rychlostí 430 kb/s. CDS se skládá z řady částí, z nichž tou nejdůležitější je tzv. Engineering Flight Computer; tento počítač vyrobila společnost IBM.

CassiniCassiniCassini

Vnitřní ucho

Zatímco CDS je mozkem sondy, další systém zvaný Attitude and articulation control subsystem (AACS) můžeme považovat za její "vnitřní ucho", které nepřetržitě sleduje orientaci a polohu sondy v prostoru vzhledem k Zemi, Slunci, Saturnu a dalším objektům. Zajišťuje rovněž správné zaměření vědeckých přístrojů tak, aby příslušný přístroj mohl nepřetržitě sledovat požadovaný objekt (včetně situací, kdy se sonda musí otáčet). Podobně jako v případě předchozího systému, i tento je tvořen dvojicí počítačů (jeden aktivní, druhý záložní) opět naprogramovaných v jazyce Ada. Tyto počítače zpracovávají příkazy řídícího systému (CDS) a ovládají pohonné jednotky sondy, ať už se jedná o hlavní raketové motory, korekční motory či reakční kola. Systém má opět k dispozici 512 kB paměti RAM a 8 kB PROM. V paměti počítače je uložen katalog obsahující na 5000 hvězd, podle kterých referenční jednotka sondu naviguje.

Autonomní řízení

Při obrovské vzdálenosti Saturna od Země, na jejíž překonání potřebuje elektromagnetický signál od 68 do 84 minut, je naprostou nezbytností schopnost sondy reagovat na neobvyklé události, které ji postihnou. Sonda je proto schopna autonomně detekovat celou řadu odchylek od normálního režimu u jednotlivých systémů a využívat záložní hardwarové i softwarové zdroje, aby zajistila plnění vědeckých úkolů. Počítače obou systémů - jak CDS tak i AACS - provozují takové ochranné programy, které nepřetržitě kontrolují, zda nejsou porušeny standardní procedury.

Příkladem může být ochrana proti ztrátě povelu z řídícího střediska. Země se sondou komunikuje v pravidelných časových intervalech. Na palubě se odpočítává čas z určité hodnoty a pokud dosáhne nuly, systém ví, že komunikace neproběhla. Může pak automaticky restartovat komunikační systém či zkusit komunikovat se Zemí pomocí záložního vybavení. Jinou možností reakce na neobvyklou událost vážnějšího rázu je uvedení sondy do tzv. "bezpečného" režimu. Při takovém postupu jsou přerušeny všechny standardní operace, vypnuty nekritické systémy a sonda očekává příkazy s nízko-ziskovou anténou namířenou k Zemi. Během letu k Saturnu došlo k takové situaci 3krát; překonfigurování sondy a její návrat do normálního režimu trval v těchto případech vždy zhruba týden.

Komunikace

Spojení sondy se Zemí zajišťuje rádiový a anténní subsystém. Pro účely komunikace se Zemí produkuje rádiový systém nosnou vlnu v pásmu X o frekvenci 8,4 GHz, moduluje ji daty získanými ze systému CDS, zesiluje pomocí 20W zesilovače a předává anténnímu subsystému. Podobným způsobem funguje i komunikace opačným směrem. Anténní subsystém přijímá signál ze Země vyslaný na frekvenci 7,2 GHz a předává jej rádiovému. Ten signál demoduluje a získané příkazy a data předá řídícímu systému.

Anténní subsystém se skládá z "velké", tzv. vysokoziskové antény o průměru 4 metrů, která je pohyblivá. Anténa je schopna přijímat signál hned ve čtyřech pásmech mikrovlnné části elektromagnetického spektra - jsou to pásma X, Ka, S a Ku. Kromě ní je sonda vybavena ještě dvojicí "malých" nízkoziskových antén. Během letu vnitřní částí sluneční soustavy sloužila velká anténa také jako sluneční štít chránící sondu před přehříváním přímým slunečním světlem. Příkazy a data ze Země proudí na sondu přenosovou rychlostí 1000 b/s. Komunikace opačným směrem může probíhat různým tempem - od 14 220 po 165 900 b/s.

Obecné komunikační schéma během operací u Saturna je následující: Každý den sonda shromažďuje po 15 hodin data na palubním záznamníku. Následujících 9 hodin (obecně v průběhu pokrytí pozemskou stanicí v Goldstone) tato data předává na Zemi. Pokud je zapojena 34metrová přijímací anténa, je tímto způsobem přenesen zhruba 1 Gb dat denně. V případě použití 70m antény je možno tímto způsobem přenést denně až 4 Gb dat. Oba subsystémy zajišťují rovněž vědecký výzkum. Přijímač a vysílač v pásmu Ka (uplink/downlink na frekvencích 30/20 GHz) a vysílač pracující v pásmu S (2 - 4 GHz) slouží pro rádiové experimenty. Příkladem může být měření hmotnosti měsíců Saturna pomocí Dopplerova posuvu či studium prstenců či atmosféry planety při zákrytech. Přijímač v pásmu S je určen pro zachycení signálu vysílaného modulem Huygens. Konečně pro radarové studie například atmosféry a povrchu měsíce Titan slouží přijímače a vysílače pracující v pásmu Ku (14/11 GHz).

Pozemské stanice

Na straně Země zprostředkovávají komunikaci stanice sítě Deep Space Network (DSN). Ta je tvořena třemi stanicemi umístěnými po 120 stupních zeměpisné délky po obvodu naší planety. Jak už bylo zmíněno, hlavní tíhu spojení se sondou Cassini ponese stanice v Goldstone, která se nachází v Mojavské poušti v Kalifornii. Podobně jako dvě zbývající stanice je vybavena velkou 70m a menšími 34m anténami. U slabého signálu - i v případě sondy Cassini má palubní vysílač výkon pouhých 20 W - přicházejícího z obrovských vzdáleností v meziplanetárním prostoru hrozí nebezpečí ztráty informace v šumu.

Způsobů, jak se šumem bojovat, existuje hned několik. Předně jsou všechny stanice DSN vybaveny velmi citlivými přijímači. Protože se jedná o první zařízení, se kterým se signál po přijetí na příslušné stanici setká, jsou na něj kladeny velké nároky. Přímo v ohnisku parabolické antény je umístěný tzv. předzesilovač, který signál zesílí tak, aby už nebyl tolik citlivý na šum. Dále následuje telemetrický přijímač, který je umístěn mimo samotnou anténu a který připraví signál ke zpracování. Přijímače jsou kryogenicky chlazeny tekutým héliem na teploty blízké absolutní nule, aby nepřidávaly další šum k přicházejícímu signálu. Další techniku pro boj se šumem představuje kódování signálu. Moderní sondy obecně nevysílají data v bitech, ale v symbolech, které jsou zakódovány v modulaci nosné vlny. Několik symbolů tvoří vždy jeden bit - podle toho, jaké kódovací schéma je použito. Cassini využívá tzv. konvoluční kódování, které každý bit popíše šesti symboly.

Komunikační problém

Letový software určený pro samotnou misi u Saturnu byl Na Zemi vylepšován a testován ještě v průběhu cesty sondy k planetě. To umožnilo zjištění jedné hardwarové chyby, která by jinak znemožnila získat data od modulu Huygens při jeho sestupu do atmosféry měsíce Titan. Jak se ukázalo, elektromagnetický signál vyslaný z modulu směrem k orbitální sondě by vlivem příliš velkého Dopplerova posuvu (posun vlnové délky signálu v závislosti na rychlosti zdroje) nebylo možné anténou sondy vůbec přijmout. Protože je palubní software modulu umístněn v paměti ROM, nelze jej tedy přepsat a muselo být vymyšleno jiné řešení hrozící situace. Uvolnění modulu a jeho sestup do atmosféry byl nakonec odložen o několik měsíců. Sonda a modul budou mít v tu chvíli menší vzájemnou rychlost, a Dopplerův posuv tak nezpůsobí takovou změnu vlnové délky vysílaného signálu jako v původním případě. 

Cassini

Planeta Saturn a její okolí je unikátní systémem, v podstatě samostatnou planetární soustavou. Její výzkum by měl vědcům pomoci zodpovědět mnohé základní otázky vzniku a vývoje planet i samotného života. Celkem 18 přístrojů sondy Cassini bude zaměřeno na atmosféru samotné planety, její unikátní systém prstenců i rozmanitou - a ve sluneční soustavě největší - sbírku měsíců. Speciální pozornost bude věnována měsíci Titan, jehož hustá atmosféra naznačuje podobnost s pradávnou atmosférou naší planety. Na výpravě k Saturnu se podílí na 260 vědců z USA a 17 evropských zemí, mezi nimiž nechybí ani Česká republika. Výprava sondy Cassini, s níž se spojují velká očekávání, stála přes 3 miliardy dolarů.

Modul Huygens směřuje na Titan

Modul Huygens se od mateřské sondy oddělí 25. prosince 2004, aby po 22 dnech samostatného letu vstoupil do atmosféry měsíce Titan. V tu dobu bude modul neaktivní s výjimkou jakéhosi "budíku". O 2,5 hodiny později dosedne na povrch měsíce. Během průletu atmosférou by měl modul být schopen díky tepelnému štítu přežít teplotu dosahující hodnoty až 18 000 stupňů. Modul o hmotnost 318 kg a maximálním průměru 2,7 metru nemá vlastní zdroj elektrické energie a po oddělení od sondy Cassini jej bude energií zásobovat pětice baterií. Pokud přežije přistání na povrchu měsíce, měl by mít dostatek energie ještě na další půlhodinu fungování.

Komunikace modulu se sondou Cassini bude jednocestná, tj. sonda bude pouze přijímat signál vyslaný z modulu. Protože po oddělení nebude už dále možné modulu předávat další příkazy, jsou všechny části řídícího subsystému na modulu Huygens 2krát či dokonce 3krát zálohovány. Dvě řídící jednotky provozující vlastní palubní software mohou řídit modul naprosto nezávisle. Jediné dva rozdíly mezi nimi spočívají v tom, že využívají jiné rádiové frekvence pro komunikace a vysílání telemetrie z druhé jednotky je o šest sekund zpožděno, aby v případě dočasného přerušení spojení například během sestupu atmosférou nedošlo ke ztrátě dat. Každá z jednotek zahrnuje i kontrolu vlastního stavu a může sama sebe vyřadit z provozu a předat řízení druhé. Většina řídícího softwaru byla naprogramována opět v jazyce Ada a je umístněna v pamětích typu EPROM. 

Autor: Pavel Koten, redaktor Computerworldu

Zveřejněno se souhlasem týdeníku Computerworld.

Kosmická mise a nové technologie

Při vývoji sondy Cassini/Huygens byla aplikována řada nových technologií. Při jejich posuzování je ovšem nutno mít na paměti, že sonda byla vypuštěna do vesmíru před 7 lety a tomu také úroveň využitých technologií odpovídá. Jedním z nejdůležitějších počinů je vůbec první využití polovodičových palubních záznamníků dat, které jsou zcela bez jakýchkoliv pohyblivých částí. Jejich kapacita na počátku mise byla 2,0 GB. Nyní jsou již takové záznamníky standardem a využívá jich řada současných kosmických výprav. V hlavních počítačích sondy je využito nových integrovaných čipů. Mezi nimi jsou tzv. Very High Speed Integrated Circuits, které byly vyvinuty v rámci vládního kontraktu. Jejich použití v aplikačním počítači GVSC 1750A sondy Cassini je jejich prvním civilním využitím vůbec. Další skupinu tvoří tzv. Application-Specific Integrated Circuits, které byly speciálně pro tento projekt vyvinuty. Jedná o výkonné čipy se zesílenou ochranou proti záření. Novinkou je i palubní vysílač pro pásmo X, který má ve srovnání s předchozími projekty nižší hmotnost, nižší spotřebu energie a lepší ochranu proti intenzivnímu záření.





Hlavní zprávy

Další z rubriky

Uměle vytvořené video Barracka Obamy
Budoucnost falešných zpráv: za tři roky budou videa nedůvěryhodná

Kvůli fotomontážím se už dlouho nedá jen tak věřit fotografiím. Nové technologie povedou ke stejně přesvědčivým manipulacím i v oblasti lidského hlasu a...  celý článek

(Ilustrační snímek)
Upozornil MHD na ostudnou chybu. Maďarská policie ho zatkla jako „hackera“

Maďarský provozovatel hromadné dopravy v Budapešti zavedl nový systém pro placení lístků on-line. Narychlo spuštěné stránky však obsahovaly řadu zásadních...  celý článek

Hacker Marcus Hutchins (na snímku z 15. května 2017)
V USA zatkli hackera, který zastavil šíření viru WannaCry

Hacker, kterému se v květnu podařilo zastavit masové šíření vyděračského počítačového viru WannaCry, byl zatčen v USA. Mladý Brit Marcus Hutchins, vystupující...  celý článek

Najdete na iDNES.cz



mobilní verze
© 1999–2017 MAFRA, a. s., a dodavatelé Profimedia, Reuters, ČTK, AP. Jakékoliv užití obsahu včetně převzetí, šíření či dalšího zpřístupňování článků a fotografií je bez souhlasu MAFRA, a. s., zakázáno. Provozovatelem serveru iDNES.cz je MAFRA, a. s., se sídlem
Karla Engliše 519/11, 150 00 Praha 5, IČ: 45313351, zapsaná v obchodním rejstříku vedeném Městským soudem v Praze, oddíl B, vložka 1328. Vydavatelství MAFRA, a. s., je členem koncernu AGROFERT.