Fehlertolerante Instrumentenrechner für kompakte Kameras auf Raumsonden (PDF)

Das Ziel bei der Entwicklung eines Rechners für wissenschaftliche Instrumente auf Weltraumsonden ist es, den wissenschaftlichen Nutzen des Instruments durch angepasste Steuerung oder Datenvorverarbeitung zu erhöhen. Bei Rechnern für Kamerainstrumente bedeutet dies, mehr Bilder pro Zeiteinheit zu prozessieren und für die Übertragung zur Erde zur Verfügung zu stellen. Dieser Durchsatz wird im Wesentlichen durch die Kompressionsroutinen bestimmt, die aufgrund der erforderlichen hohen Bildqualität viel Rechenzeit benötigen.
Mit dem Übergang von einem traditionellen strahlungsfesten zu einem strahlungstoleranten Design ergeben sich neue Wege beim Aufbau eines kleinen Instrumentenrechners. Exemplarisch für die Datenverarbeitungsfunktionen eines Kamerarechners wird anhand der qualitativ hochwertigen Wavelet-basierten JPEG2000-Kompression gezeigt, wie unter den Rand-bedingungen einer Weltraummission die Ausbeute, der Ressourcenbedarf und die Fehlertoleranz (Toleranz gegenüber strahlungsbedingten Fehlern) einer DPU für ein kompaktes Kamerainstrument optimiert werden können. Zur Relativierung der Werte des strahlungs-toleranten Ansatzes werden Vergleichsimplementierungen basierend auf strahlungsfesten Bausteinen durchgeführt. Beim Übergang zu einem strahlungstoleranten Design zum Aufbau eines kleinen Instrumentenrechners ist die Verfügbarkeit strahlungstoleranter FPGAs mit großen Ressourcen (Systemgatter) von hoher Bedeutung. Hierdurch kann innerhalb eines Bausteins eine Standard-CPU für universelle Aufgaben (Steuerung) zusammen mit dedizierter Logik für eine spezielle Aufgabe (Kompression) integriert werden. Rechenintensive Softwareroutinen können durch schnell und vor allem energieeffizient ausführbare Hardwaremaschinen ersetzt werden, wie es z. B. für die Kompression sinnvoll ist.
Zur Steigerung der Performanz für kompakte Kameras wurde daher ein skalierbarer IDA JPEG2000 Core entworfen, der eine flexible Partitionierung in Hardware und Software erlaubt. Der skalierbare IDA JPEG2000 Core wurde u. a. zusammen mit einer CPU in einem FPGA innerhalb des strahlungstoleranten Instrumentenrechners integriert. Zu Vergleichszwecken erfolgte parallel eine Implementierung des IDA JPEG2000 Core innerhalb einer strahlungsfesten DPU. Durch die energieoptimierte hardwareunterstützte Kompression kann der Durchsatz bei qualitativ hochwertigen Kompressionsergebnissen bis um den Faktor 30 erhöht werden. Es wird für typische Bilderzeugungsraten von einem Bild der Größe 1k x 1k x 14 Bit je 1-2 s durch eine Online-Kompression ein hoher wissenschaftlicher Nutzen des Instruments erzielt. Eine derartige FPGA-basierte Lösung bietet genügend Ressourcen für missionsspezifische Erweiterungen. Während die erzielten Zuverlässigkeiten bei strahlungsfester und strahlungstoleranter DPU gleichwertig sind, ist die strahlungsbedingte Rate reversibler Fehler bei der strahlungstoleranten DPU wesentlich höher. Hier ergibt sich für typische Umgebungsbedingungen rechnerisch eine Nichtverfügbarkeit von 1 min pro Jahr. Da in den meisten Missionen diese moderate Strahlungs-empfindlichkeit akzeptiert werden kann, wird mit der strahlungstoleranten Lösung (FPGA und weitere strahlungstolerante Baugruppen) ein kompakter Instrumentenrechner mit hoher Performanz bei energieoptimiertem Betrieb und hoher Flexibilität erzielt.