Od 2021 roku KP Labs współpracuje z Centrum Badań Kosmicznych PAN (CBK 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 Centrum Badań Kosmicznych PAN (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 ok. 1,5 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, którego celem jest badanie heliosfery. Heliosfera jest obszarem dookoła Słońca, utworzonym przez stały przepływ naładowanych cząstek – wiatru słonecznego, które wydostają 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. Instrument 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. – wyjaśnia Grzegorz Gajoch.
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.
Możliwość udziału w międzynarodowej misji inspiruje wielu pracowników KP Labs” — . To, co obecnie osobiście inspiruje mnie w mojej pracy w KP Labs to fakt, że opracowujemy oprogramowanie, które będzie w pełni kontrolować instrument GLOWS, a więc musi ono być niezawodne, aby w sposób autonomiczny kontrolować wszystkie elementy instrumentu. Jest to inspirujące, ponieważ wnosimy swój wkład w najnowocześniejsze oprogramowanie dla ważnej międzynarodowej misji naukowej przeprowadzonej poza orbitą Ziemi. – podsumował Gajoch.
