Diseño, implementación y validación del software embarcado y estación de Tierra para la misión HERCCULES lanzada en el globo estratosférico BEXUS-32

Resumen

El programa REXUS/BEXUS permite que estudiantes europeos desarrollen experimentos embarcados en cohetes sonda (REXUS) y globos estratosféricos (BEXUS). El experimento HERCCULES es uno de los seleccionados por la Agencia Espacial Europea (ESA) para el programa Balloon-borne EXperiments for University Students (BEXUS) que volará a 30 km de altitud para analizar la transferencia de calor por convección en la estratosfera y caracterizar el entorno térmico y la dinámica de misiones similares. HERCCULES ha sido desarrollado en su totalidad por estudiantes del Instituto de Microgravedad “Ignacio da Riva” (IDR) y el grupo Sistemas de Tiempo Real y Arquitectura de Servicios Telemáticos (STRAST) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM). Asimismo, como parte de BEXUS, HERCCULES ha recibido soporte técnico de expertos del DLR, SNSA, y la ESA.

El presente documento recoge el trabajo efectuado por el autor durante el ciclo de vida software del sistema HERCCULES. Esto incluye las actividades de requisitos, análisis, diseño, implementación, verificación y validación del software de los segmentos de vuelo y tierra. Para ello se ha realizado un estudio y selección de tecnologías, metodologías, y patrones arquitectónicos adecuados para el desarrollo de software empotrado de tiempo real. Asimismo, este trabajo incluye las tareas de integración del software sobre los diversos subsistemas, para así poder verificar y validar el software de vuelo basado en estándares del sector espacial. El entorno de desarrollo incluye una Raspberry Pi modelo 4B (RPi) para el OBC, y una plataforma Linux para la estación terrestre (GS).

HERCCULES cuenta con dispositivos analógicos y digitales como barómetros, radiómetros, termómetros, y calefactores que son controlados por el OBSW. El software del sistema HERCCULES se ha desarrollado con TASTE de la ESA. Dicho conjunto de herramientas impulsa la práctica de metodologías como el desarrollo basado en modelos y componentes. Asimismo, TASTE se empleó para el modelado y diseño del software embarcado que incluye tecnologías como Notación Sintáctica Abstracta 1 (ASN.1) para la (de-)serialización y (des-)codificación de datos; AADL para los aspectos de la arquitectura y concurrencia; SDL para el modelado de máquinas de estado; entre otros. También se emplearon herramientas de ingeniería de software asistida por computadora (CASE) como Visual Paradigm y OSATE para el modelado del software y sistema en el UML, Lenguaje de Modelado de Sistemas (SysML), y AADL. En lo referente al control de versiones y CI/CD, se usaron las herramientas git y GitLab.

En conjunto, el software y computador de a bordo serán responsables del control de la plataforma, el procesado de telecomandos, y la gestión de los datos. Se trata de un sistema distribuido, por la comunicación de los segmentos de vuelo y tierra; con una arquitectura maestro-trabajador para el segmento de vuelo, ya que los sensores y actuadores responden a las órdenes del OBC. La validación del sistema precisó de pruebas en cámaras ambientales (como de vacío) del IDR de la UPM. Asimismo, las pruebas unitarias y de integración se realizaron sobre placas electrónicas elaboradas específicamente para el proyecto. Los resultados de este trabajo suponen la completitud e involucración por parte del autor en un proyecto multidisciplinar, además de la obtención de patrones arquitectónicos, aplicación de metodologías y tecnologías idóneas en aplicaciones del sector espacial.

Abstract:

The REXUS/BEXUS program allows European students to develop experiments onboard scientific rockets (REXUS) and stratospheric balloons (BEXUS). The Heat-transfer and Environment Radiative and Convective Characterization in a University Laboratory for Experimentation in the Stratosphere (HERCCULES) is one of the experiments selected by the European Space Agency (ESA) for the Balloon-borne EXperiments for University Students (BEXUS) program that will fly at 30 km altitude to analyse convective heat transfer in the stratosphere and characterize the thermal environment and dynamics of similar missions.

This paper presents the work developed by the author during the software life-cycle process of the HERCCULES system. This covers the activities of requirements, analysis, design, implementation, verification and validation of the flight and ground segment software. To that end, the author performed an study and selection of technologies, methodologies, and architectural patterns suitable for the development of real-time embedded software. In addition, this work includes the software integration activities of all subsystems, to verify and validate the flight software based on space industry standards, ECCS. The development environment includes a Raspberry Pi model 4B (RPi) as the on-board computer (OBC), and a Linux execution platform for the ground station (GS).

HERCCULES is equipped with analogue and digital devices such as barometers, radiometers, thermometers, and heaters that are controlled by the on-board software (OBSW). The HERCCULES system software has been developed with the TASTE (The ASSERT Set of Tools for Engineering) tool-chain from ESA. TASTE encourages the practice of methodologies such as model and component-based development. Furthermore, TASTE was used to model and design the OBSW, including technologies such as ASN.1 for data (de-)serialization; AADL for architecture and concurrency aspects; SDL for state machine modelling; among others. Computer Aided Software Engineering (CASE) tools such as Visual Paradigm and OSATE were used for the software and system modelling in the Unified Modeling Language (UML), Systems Modeling Language (SysML), and AADL. Regarding version control management and CI/CD, git and GitLab were used.

In brief, the OBSW and OBC will be responsible for platform control, telecommand processing, telemetry generation, and data management. HERCCULES is a distributed system, the flight and ground segments communicate via TCP/IP sockets. The flight segment follows a masterworker architecture since the sensors and actuators respond to the commands sent by the OBC. The validation of the system required was carried out in environmental chambers (such as vacuum, TVAC) of the “Ignacio da Riva” Microgravity Institute (IDR) from UPM. Unit and integration tests were also performed on electronic boards developed specifically for the project. The results of this work represent the completeness and involvement of the author in a multidisciplinary project conformed mainly by aerospace engineers. In addition, this work includes the obtention of architectural patterns, application of methodologies and technologies suitable for space applications.