Hardware- und Software- Kompatibilitätstests für den Bordrechner eines Kleinsatelliten

Abstract

Die Universität Stuttgart hat in Kooperation mit industriellen Partnern im Jahr 2010 das Konzept eines neuartigen Bordrechners für Satelliten vorgestellt. Dieser Bordrechner nutzt modernste Prozessor- und Datenbustechnik. Er wird beim sich am Institut für Raumfahrtsysteme der Universität Stuttgart in Entwicklung befindenden Kleinsatelliten Flying Laptop erstmals eingesetzt.

Ein solcher Bordrechner muss im Betrieb fehlerfrei funktionieren. Auch die auf dem Bordrechner laufende Bordsoftware darf keine systematischen Fehler haben. Fehler in Hardware oder Software können zu einem Komplettausfall des Satelliten führen. Um dieses Risiko zu minimieren, sind während der Entwicklung des Satelliten eine Vielzahl an Bordrechnertests nötig. Für den Bordrechner des Flying Laptops wurde im Rahmen dieser Arbeit ein Prüfstand entwickelt, mit dem ein Großteil der geforderten Tests möglich ist. Durch diesen Prüfstand wurde die Entwicklung der Bordsoftware beschleunigt und deren funktionale Verifikation ermöglicht. Außerdem konnte verifiziert werden, dass die von verschiedenen Herstellern entwickelten Baukomponenten des Bordrechners zueinander kompatibel sind. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die Schnittstellen zwischen Bordrechner und Bordkomponenten sowie zwischen Bordrechner und Missionskontrollsystem ordnungsgemäß funktionieren. Schließlich wurde die gesamte Kommandierungskette vom Missionskontrollsystem über den Bordrechner hin zu exemplarisch gewählten Bordkomponenten erfolgreich getestet.

Die vorliegende Dissertation beschreibt außerdem, welche Planungs- und Entwicklungsarbeiten notwendig waren, um einen solchen Prüfstand aufzubauen. Die dabei aufgetretenen Probleme werden erläutert und dazu erarbeitete Lösungen dargestellt. Für die durchgeführten Bordrechnertests wurden unterschiedliche Konfigurationen des Prüfstands entwickelt und genutzt. Die Konfigurationen und deren jeweiliger Zweck werden beschrieben. Für jede Konfiguration wird anhand eines Anwendungsbeispiels veranschaulicht, wie sich die damit durchgeführten Tests gestalteten. Die erhaltenen Ergebnisse werden dargestellt und bewertet. Geplante Konfigurationen für die nächsten Schritte der Entwicklung werden erläutert. Abschließend wird die weitere Verwendbarkeit des Prüfstands bei der Entwicklung des Kleinsatelliten Flying Laptop diskutiert.

In cooperation with industrial partners, the University of Stuttgart presented a concept for a modern satellite on-board computer in 2010. This on-board computer is based on a state-of-the-art processor and applies latest interface standards. The Institute of Space Systems is currently developing the small satellite Flying Laptop, which is the first platform for the deployment of this on-board computer.

Spacecraft on-board computers have to work correctly in operation. The applied on-board software must not have any kind of systematic errors. Hardware or software errors can cause system failure disabling the complete satellite. In order to reduce these risks, a lot of on-board computer tests are necessary before launching the satellite. In the frame of this dissertation, a test bench has been developed enabling many of the required tests for the Flying Laptop on-board computer. The application of this test bench has accelerated the development of on-board software and allowed its functional verification. The parts of the on-board computer have been developed by various companies. The application of this test bench has proved that these parts are compatible with each other. It has been demonstrated that the interfaces between on-board computer and connected components work properly. In addition, the interface between on-board computer and mission control system has been successfully tested. Finally, the complete command chain from the mission control system via the on-board computer through to exemplary on-board equipment has been verified.

The present dissertation further describes the design and development for the implementation of such a test bench. Emerging problems are explained and developed solutions depicted. Configurations which have been made possible applying this setup are described. The particular purpose of each configuration is illustrated with application examples. Performed tests and obtained results are shown and evaluated. Configurations for the next steps of development have been planned and are described. Finally, the future usage of the setup for the development of the small satellite Flying Laptop is discussed.