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”.
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”, kontynuuje Gajoch, „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”.
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” — podsumował Gajoch.
„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”.
KP Labs zostało założone w 2016 roku. Jest europejskim liderem w opracowywaniu autonomicznych systemów kosmicznych. Zapewnia sprzęt i oprogramowanie oparte na sztucznej inteligencji dla wymagających misji kosmicznych. KP Labs wdraża autonomię w misje kosmiczne w celu przyspieszenia eksploracji kosmosu. Ich produkt – Smart Mission Ecosystem – został zaprojektowany w oparciu o holistyczne podejście w celu umożliwienia przetwarzania danych na pokładzie na poziomie ładunku użytecznego i satelity, jak również w celu zwiększenia bezpieczeństwa misji i odporności na błędy. KP Labs uzyskało status Centrum Badawczo-Rozwojowego nadany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego w Polsce. Więcej informacji można znaleźć na stronie: https://kplabs.space/.
CBK PAN jest interdyscyplinarnym instytutem badawczym Polskiej Akademii Nauk powołanym do prowadzenia badań naukowych i działalności na rzecz rozwoju przemysłu kosmicznego w Polsce.Sześć głównych obszarów badań CBK PAN to: fizyka Słońca, badanie planet i małych ciał Układu Słonecznego, fizyka i astrofizyka przestrzeni międzyplanetarnej, fizyka plazmy, geodezja i geodynamika planetarna, obserwacja Ziemi.Od momentu powstania instytutu jego naukowcy i inżynierowie uczestniczyli w ponad 50 misjach kosmicznych i skonstruowali ponad 70 unikatowych instrumentów dla misji kosmicznych.Pierwsze urządzenia powstały w ramach programu Interkosmos i zostały umieszczone na radzieckich satelitach (projekty JONOSONDA, AKTYWNY, APEX) oraz na stacji kosmicznej MIR (urządzenie VIEWFINDER dla modułu Priroda).
GLOWS (GLObal Solar Wind Structure) jest jednym z eksperymentów w ramach misji NASA IMAP (Interstellar Mapping and Acceleration Probe), której start i umieszczenie na orbicie Lissajous wokół punktu Lagrange’a L1 planowane jest na 2025 rok. Celem projektu GLOWS jest zbadanie globalnej struktury wiatru słonecznego oraz jego ewolucji podczas cyklu słonecznego. Dodatkowo GLOWS bada rozkład międzygwiazdowego wodoru neutralnego (ISN H) oraz ciśnienie promieniowania słonecznego działającego na ISN H.
Realizacja eksperymentu GLOWS w ramach misji kosmicznej NASA Interstellar Mapping and Acceleration Probe (IMAP) jest finansowana ze środków budżetu państwa na podstawie umowy z Ministerstwem Edukacji i Nauki.
Informacja prasowa KP Labs