Hightech Embedded
Software für ein Sonneninstrument

Hightech Embedded Software für ein Sonneninstrument
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Vorderseite des Sonneninstrumentes STIX
20.05.2020 | Am 9. Februar ist die Sonde «Solar Orbiter» der Europäischen Weltraumbehörde ESA von Cape Canaveral aus zur Sonne gestartet. Mit dabei, das Röntgenteleskop STIX (Spectrometer/Telescope for Imaging X-rays) der Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW. Gebaut wurde das Instrument in der Schweiz, Europa und den USA. Teile der Flugsoftware und der Algorithmen wurden von unseren Software-Experten in enger Zusammenarbeit mit der Fachhochschule entwickelt.

Sonnenbeobachtung
«Solar Orbiter» ist die erste Mission überhaupt, welche mit so vielen Instrumenten an Bord (zehn an der Zahl) so nah zur Sonne fliegen wird. Die Sonde wird über mehrere Jahre die Sonne umkreisen und bisher noch nie dagewesene Messungen ermöglichen. Das Sonneninstrument STIX der Fachhochschule Nordwestschweiz misst im hochenergetischen Röntgenbereich, und wird zum Beispiel aufzeigen können, wo es auf der Sonne zu einem Sonnenausbruch gekommen ist.

Herausforderungen der Flugsoftware- und Algorithmen-Entwicklung für STIX
Hardwarenahe Software-Entwicklung für ein Sonneninstrument birgt einige Herausforderungen:
  • Es braucht ein gutes Verständnis für die Hardware und deren Schnittstellen und einen guten Austausch mit den Hardware-Teams
  • Die Leistung der Hardware ist limitiert und erfordert deshalb einen haushälterischen Umgang mit den vorhandenen Ressourcen – unter anderem müssen sogar einzelne Operationen manuell optimiert werden
  • Programmierfehler oder von der Spezifikation abweichende Software-Umsetzungen können fatale Auswirkungen haben
  • Gewisse Vorgänge können nicht einfach simuliert werden und erschweren das Testen der Software (in Kombination mit der Hardware)
  • Nachträgliche Anpassungen an der Software sind aufwändig aufgrund der immer kleiner werdenden Datenrate zum Instrument (während es zur Sonne fliegt) und der Nichtverfügbarkeit der Original-Hardware zum Testen von Anpassungen am Boden

Trotz dieser erschwerten Bedingungen, im Grundsatz gilt aber das Gleiche wie für jede andere Software: die Schnittstellen gut spezifizieren, einen engen Austausch zwischen dem Kunden, den Partnern und den Software-Entwicklern aufgleisen und pflegen, und umfassende Tests und Simulationen ausarbeiten und regelmässig ausführen (Stichworte: Test First und Continuous Integration and Deliver CI/CD).

Technologietransfer: Aus dem Weltall in die Industrie
Hardwarenahe Software, oder auch «Embedded Software», findet sich heute vielerorts: in «Internet of Things» Geräten (IoT) in Maschinen und Industrie-Robotern, in der Medizinaltechnik, oder auch im Haushalt. Die Ansprüche an Stabilität, Funktionalität und Autonomie sind dabei stark vom Einsatzzweck abhängig, welcher auch die Wahl der Plattform (Hardware, Betriebssystem, Programmiersprache) beeinflusst. Das Sonneninstrument STIX, als Beispiel, läuft mit einem 20MHz Gaisler Leon3 Prozessor (Sparc V8 Architektur) und wird vom Echtzeit Betriebssystem RTEMS gesteuert, was C und Assembler als Programmiersprache voraussetzt.

Trotz der grossen Variabilität im Einsatzbereich, allen «Embedded Software»-Projekten ist gemeinsam, dass sie eine enge Verknüpfung mit der Hardware aufweisen: es braucht ein Verständnis für Hardware-Treiber, wie man Speicher manipuliert, oder Sensoren ansteuert und ihre Messwerte decodiert.

Es ist grossartig, dass wir an einem solch spannenden und einzigartigen Forschungsprojekt beteiligt sein durften. Nun warten wir gespannt auf die ersten Resultate und neuen Erkenntnisse über die Sonne. Falls wir auch Sie bei Ihrem nächsten speziellen Vorhaben unterstützen dürfen, würden wir uns über Ihre Kontaktaufnahme freuen.

Link zur STIX Webseite.
Link zum Projekt STIX Flugsoftware.


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