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Neue Systemarchitektur für weltraumtauglichen Hochleistungsrechner

Meldung vom Fr., 15. Juli 2016

In der Raumfahrt besteht ein immer höherer Bedarf an Rechen- und Kommunikationsleistung. Nur so lassen sich die Vorverarbeitung großer Datenmengen aus anspruchsvollen Experimenten und Nutzlasten oder eine komplexe Bildverarbeitung zur Robotersteuerung von autonomen Docking-Manövern realisieren. Am 1. Juli 2016 startete die dritte Phase des OBC-SA-Projekts, in dem eine modulare Architektur für solche zukünftigen On-Board-Computersysteme entwickelt wird.

Computersysteme in der Raumfahrt müssen trotz der extremen Bedingungen im Weltraum über die gesamte Missionsdauer fehlerfrei und ausfallsicher funktionieren. Da oftmals keine Wartung möglich ist, kann eine Fehlfunktion zum Scheitern einer gesamten Mission führen. Neben der Bereitstellung einer immer höheren Rechenleistung müssen diese Computersysteme deshalb auch in hohem Maße fehlertolerant sein. Sie müssen sporadische Fehlfunktionen erkennen und behandeln oder sogar einen permanenten Ausfall einer einzelnen Systemkomponente durch Umschalten auf eine redundante Komponente kompensieren.

Bisher werden Weltraumrechner nach dem Prinzip »Eine Funktion = Ein Computer« gebaut, um so eine möglichst geringe Fehleranfälligkeit zu garantieren. Mit den wachsenden Ansprüchen an die Computersysteme in der Raumfahrt wird jedoch ein neues Architekturprinzip benötigt. Denn nur so lassen sich die zukünftigen Anforderungen an die Rechenleistung bei gleichzeitig möglichst geringem Volumen, Gewicht und Energiebedarf erfüllen.

Im OBC-SA-Projekt (On-Board Computer System Architektur) entwickelt Fraunhofer FOKUS zusammen mit Airbus DS, Sysgo AG und SpaceTech Immenstaad (STI) deshalb eine offene, modulare und sichere Systemarchitektur für zukünftige Weltraumrechner. Diese Systemarchitektur basiert auf Komponenten, die sich bereits in anderen industriellen Domänen bewährt haben und nun für die Raumfahrt angepasst  werden.

Fraunhofer FOKUS setzt Commercial off-the-shelf (COTS)-Komponenten ein, um die hohe Rechenleistung von modernen Mehrkernprozessoren für Raumfahrtanwendungen zu nutzen und gleichzeitig die Kosten für den Bau von weltraumtauglichen Hochleistungsrechnern zu senken. Dabei wurden leistungsfähige Redundanz- und Fehlertoleranzkonzepte implementiert, um die hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Weltraumrechnern zu erfüllen. Neben einem Multi-Core-basierten Prozessorboard entwickelt Fraunhofer FOKUS auch die Netzwerkkomponenten für die fehlertolerante Kommunikationsinfrastruktur. Airbus DS entwickelt u. a. einen hochzuverlässigen Rechner auf der Basis eines strahlungsharten Vierkernprozessors während STI eine kompakte, netzwerkfähige "Remote Data Concentrator"-Einheit bereitstellt. Die SYSGO AG passt das bereits nach Luftfahrtstandards (DO-178 B) zertifizierte Echtzeit-Betriebssystem PikeOS an die sicherheitskritischen Anforderungen der Raumfahrt an.

Das auf dem zukünftigen Space CompactPCI® Serial-Standard basierende Gesamtsystem wird über einen sehr hohen Reifegrad verfügen, der eine problemlose Überführung der Subsysteme in eine, für den Einsatz im Weltraum qualifizierte, Flugversion sicherstellt.

Ziel der dritten Phase des OBC-SA-Projekts ist es, einen in der zweiten Phase entwickelten Technologie-Demonstrator, der die verschiedenen Komponenten der einzelnen Partner integriert, zu einem sogenannten Ingenieurmodell zur Qualifikation (IMQ) weiterzuentwickeln. Dieses Entwicklungsmodell wird anschließend in einer weltraumähnlichen Umgebung – mit entsprechender Temperatur, Strahlung, einem Vakuum oder auch Vibrationen –  getestet.

Das Projekt wird von der Raumfahrt-Agentur des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt e. V. mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie gefördert.