Using a Reconfigurable FPGA for Emerging Space Applications
Creators: name: Henkel, Maximilian
Publisher: name: Graz University of Technology
Year: 2024
Subjects: subject: Artificial satellites
subject: CubeSat
subject: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering
subject: FOS: Electrical engineering, electronic engineering, information engineering
subject: Electrical engineering
subject: Low-Earth Orbit (LEO) satellites
subject: Reconfigurable computing
subject: Reconfigurable devices
subject: Reconfigurable logic
subject: System-on-chip
subject: Field-Programmable Gate Arrays (FPGA)
subject: Space communications
subject: Satellite communication
subject: Radio links
subject: Failure analysis
subject: Fault diagnosis
subject: Logic testing
subject: Data buses
subject: Space technology

description: Reconfigurable hardware, and in particular Field-Programmable Gate Arrays (FPGA), offer the potential to adaptively extend the capabilities of a (flying) spacecraft. This is demonstrated on ESA's OPS-SAT mission with several distinctive, novel in-orbit applications.
description: Modern satellites offer an extraordinary opportunity for flying new innovative applications and new concepts. A wealth of state-of-the-art, commercially available hardware, supported by software written by an open community of developers, could revolutionise the idea of what a satellite can do. However, as satellites operate in a harsh environment with limited visibility and accessibility, there is a healthy scepticism about flying such new developments when not essential to the mission. The aim of the OPS-SAT mission is the synthesis of this apparent contradiction. The spacecraft allows a large variety of configurations and experimental applications. To facilitate this, at the centre of the payload is a powerful processing platform which is well connected and equipped with a reconfigurable Field-Programmable Gate Array (FPGA). However, there is little experience with reconfigurable computing in space applications. This thesis discusses and describes the operational challenges faced on OPS-SAT and the resulting solutions, e.g. advanced recovery scenarios, adaptive testing and debugging capabilities, and new (hardware) implementations, all of which were implemented in orbit. Furthermore, it demonstrates the high potential and the increased resilience to failures achieved due to these reconfiguration capabilities. It also shows how the availability of such a platform can change the on-board development process to become faster, more adaptable and more agile. These findings could be valuable for upcoming missions in providing experience and ideas for an efficient and safe use of this technology. Furthermore, it may encourage the space industry to utilise more reconfigurable hardware in future missions, as it has now been demonstrated to offer enhanced adaptability throughout all phases of a mission. At another scale, it shows how reconfigurable computing has the potential to expand the solution space for any hard-to-access system, including but not limited to, space applications.
description: Moderne Satelliten bieten außergewöhnliche Möglichkeiten für neue innovative Anwendungen und neue Konzepte. Hochmoderne, kommerziell erhältliche Hardware, unterstützt durch Software, die von einer offenen Gemeinschaft von Entwicklern geschrieben wurde, könnte die Vorstellung davon, was ein Satellit zu leisten vermag, revolutionieren. Da sich Satelliten jedoch in einer rauen Umgebung mit eingeschränkter Sichtbarkeit und Zugänglichkeit befinden, besteht eine durchaus begründete Skepsis gegenüber dem Einsatz solch neuer Entwicklungen, sofern sie für die Mission nicht unabdingbar sind. Das Ziel der OPS-SAT-Mission ist die Synthese dieses scheinbaren Widerspruchs. Der Satellit soll hierzu eine große Vielfalt an Konfigurationen und experimentellen Anwendungen unterstützen. Um dies zu ermöglichen enthält er eine leistungsstarke Prozessorplattform, die gut vernetzt und mit einem rekonfigurierbaren Field-Programmable Gate Array (FPGA) ausgestattet ist. Allerdings ist die Erfahrung mit rekonfigurierbaren Rechensystemen in Weltraumanwendungen begrenzt. In dieser Arbeit werden am Beispiel von OPS-SAT die betrieblichen Herausforderungen und die sich daraus ergebenden Lösungen erörtert und beschrieben. Dazu gehören beispielsweise fortgeschrittene Wiederherstellungsszenarien, adaptive Möglichkeiten für Tests und zur Fehlersuche, und neue (Hardware-)Implementierungen, welche alle im Orbit umgesetzt wurden. Darüber hinaus wird das große Potential und die erhöhte Widerstandsfähigkeit gegenüber Ausfällen aufgezeigt, die durch diese Rekonfigurationsmöglichkeiten erreicht werden. Dies zeigt auch, wie die Verfügbarkeit einer solchen Plattform den Entwicklungsprozess an Bord verändern kann, um schneller, anpassungsfähiger und agiler zu werden. Diese Ergebnisse können für künftige Missionen nützlich sein, da sie Erfahrungen und Ansätze für die effiziente und sichere Nutzung dieser neuen Technologie liefern. Darüber hinaus könnten sie die Raumfahrtindustrie auch dazu motivieren, in Zukunft mehr rekonfigurierbare Hardware einzusetzen, da diese nun erwiesenermaßen in jeder Phase einer Mission eine erhöhte Anpassungsfähigkeit und Flexibilität bietet. Auf einer anderen Ebene demonstriert dies, wie rekonfigurierbare Rechnerarchitekturen das Lösungsspektrum von schwer zugänglichen Systemen erweitern, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, Raumfahrtanwendungen.
description: Preface

Acknowledgements

Abstract




 Introduction

 OPS-SAT Mission and Spacecraft



 Mission Features

 Communications

 Experimental Processing Platform

 Provided Software

 Payloads



 Initial Design



Experimental Categories

 System Level Fault Detection, Isolation and Recovery

 Processing Platform Safe Boot Strategy

 FPGA Reconfiguration

 Brief History of OPS-SAT Operations



Recovering SDRAM



The Broken SDRAM

Reviving the Second Core

Conclusion



Boot Strategy Revisited

Testing Bypass Mode



Pre-Launch Testing

In-Orbit Testing

Control and Monitoring

Results

Conclusion



Implementing SpaceWire



Evolution of an Alternative Link

The SpaceWire Standard

IP Core Selection

Implementation and Deployment

Results

Conclusion



Debugging SpaceWire



System-level Debugging Framework

Integration on OPS-SAT

Deployment

Measurement Results

Conclusion



Final Remarks and Outlook



Summary and Lessons Learnt

Conclusion






Kernel SMP Bringup

Supplementary Figures



Spare Unit’s eMMC Erase Counters

X-band Signal Analysis

Full SpaceWire Traces



Contributions

Bibliography