Una innovadora plataforma informática para satélites utiliza conectores de alta densidad

Andy Brayford, Director de Desarrollo del Negocio, Norte de Europa, Harwin

La exploración espacial ha sido protagonizada de manera exclusiva durante décadas por grandes agencias internacionales, como la NASA y la ESA. En los últimos años, sin embargo, las cosas han cambiado notablemente. Ahora son numerosas las empresas comerciales y las instituciones académicas que han entrado en este sector, de ahí que se le llame el fenómeno del “Nuevo Espacio”.

Entre los principales factores que lo impulsan se encuentra la disponibilidad de una tecnología más asequible y la introducción de diseños de referencia de código abierto.  Estos han ayudado a eliminar obstáculos de ingeniería para permitir la entrada de empresas pequeñas y medianas (pymes), que pueden poner en órbita los equipos que han diseñado y fabricado. Esto también facilita que los recursos tecnológicos y financieros que necesitan sean mucho menores que antes.

4Links, que tiene su sede en Buckinghamshire (Reino Unido), desempeña un papel primordial en el desarrollo del “Nuevo Espacio”. Esta empresa, fundada en 2000, proporciona los servicios de ingeniería y consultoría que necesitan las pymes para completar sus proyectos especiales con éxito. También trabaja con grandes compañías como Airbus y Clearspace.

El equipo de 4Links ha estado trabajando últimamente en una plataforma innovadora de software y hardware para el desarrollo rápido, sencillo y rentable de sistemas espaciales. Esta plataforma, cuyo acertado nombre es Loki, como el perturbador dios nórdico, se caracteriza por una configuración modular que permite la reutilización de los diseños de ingeniería. De este modo evita tener que empezar cada nuevo proyecto desde cero; el diseño realizado en proyectos anteriores se puede reutilizar, ahorrando así unos valiosos recursos de ingeniería.

Figura 1: La plataforma de desarrollo Loki de 4Links (con el área de conexión del subsistema a la derecha).

Desde el principio, el objetivo de Loki fue proporcionar a sus clientes espaciales una plataforma embebida de procesamiento que fuera flexible y muy configurable a la que se pudieran incorporar sus ordenadores de a bordo. Fue diseñada para satélites que utilicen la cada vez más extendida metodología de infraestructura de red SpaceWire (en cuya consolidación participó activamente Paul Walker, fundador de 4Links). Al estar basada en lógica programable y gracias a su construcción modular, Loki requiere un menos esfuerzo de ingeniería, de ahí que acorte los plazos de finalización y disminuya los costes operativos.

Loki consiste en una tarjeta portadora de formato Eurocard y una tarjeta de tipo mezzanine a la que está conectada. La tarjeta mezzanine se encarga de todos los elementos de funcionalidad fija, como procesamiento, memoria y gestión del sistema. Esta tarjeta se basa en un dispositivo FPGA Kintex UltraScale de Xilinx. Se puede reprogramar tras el lanzamiento o incluso actualizar en pleno vuelo. Una tarjeta de E/S se encarga de todas las conexiones. Al funcionar como puerta de enlace, cubre la comunicación con los diferentes subsistemas del satélite y la entrada de alimentación para la tarjeta mezzanine con la FPGA.

La posibilidad de instalar la tarjeta mezzanine junto a tarjetas portadoras con diversas configuraciones de E/S facilita mucho la introducción de modificaciones dependiendo de las necesidades, es decir, de los requisitos de cada cliente. La otra gran ventaja de Loki es que la tarjeta solo se ha de validar una vez y luego se puede utilizar para múltiples configuraciones. Gracias a ello, todo puede estar listo para el lanzamiento en un plazo mucho más corto, incluso en apenas un mes.

Como explica Spencer Saunders, Director de Ingeniería de 4Links, «La solución basada en tarjetas portadora/mezzanine hace que esta plataforma sea muy atractiva para nuestros clientes. Es mucho más ágil y como resultado de ello permite acelerar el proceso de desarrollo. Otra ventaja para los usuarios es que pueden validar una tarjeta al principio y luego reconfigurar otras. Esta validación evita la necesidad de una costosa recertificación para cada nuevo proyecto en el que se embarquen».

Retos y cuestiones sobre ingeniería

Dado que Loki está destinada a satélites y otros equipos en órbita, el peso total del hardware debía ser el mínimo posible. Además era preciso tener en cuenta la naturaleza sensible al coste de muchos proyectos del “Nuevo Espacio”, lo cual significa que no era factible utilizar componentes a medida con especificaciones militares en su diseño, sino que había que recurrir a alternativas muy resilientes de tipo comercial. Por encima de todo esto, los dispositivos tenían que ser resistentes. Todos los componentes seleccionados han de ser capaces de funcionar durante períodos prolongados pese a su exposición a temperaturas extremas, fuertes choques mecánicos y altas vibraciones.

La conexión de las comunicaciones vitales de la tarjeta portadora con los subsistemas suponía un reto para el equipo de desarrollo de 4Links junto con otras dificultades de diseño que hubo de superar. Además de afrontar toda la complejidad de los requisitos antes citados, y dado que quedaría muy poco sitio para montar los conectores, sería complicado instalar todos los contactos necesarios. Debido a todo esto, la respuesta fue optar por una solución de interconexión con una alta densidad de patillas. A todo ello se suma que, junto al gran número de configuraciones diferentes, no se podía desperdiciar espacio alguno.

En busca de una solución de interconexión optimizada

Los conectores convencionales, como el formato Micro-D, son demasiado grandes para una implementación de este tipo y su tamaño ocuparía un espacio demasiado valioso en la placa de circuito impreso de la tarjeta portadora de E/S. Además estos conectores serían excesivamente pesados debido a sus carcasas metálicas, por lo que era preciso encontrar una alternativa más pequeña y ligera.

Harwin y 4Links empezaron hace más de un año a estudiar las características técnicas de Loki y cómo se podría rediseñar. Tras realizar numerosos ensayos con muestras, se tomó la decisión de que los conectores Gecko-SL serían una excelente elección para la tarjeta portadora de E/S y sus requisitos de conexión al subsistema.

Los conectores Gecko-SL con paso de 1,25 de Harwin presentan claras ventajas respecto a los componentes Micro-D estándar ya que son notablemente más ligeros y compactos. Al igual que todos los dispositivos de la familia Gecko, ofrecen la fiabilidad extremadamente elevada que se necesita en los sistemas de misión crítica pues son lo bastante robustos como para resistir las condiciones de funcionamiento más exigentes. El mecanismo de cierre atornillado permite su sujeción incluso cuando se somete a fuerzas de torsión intensas. El diseño del contacto de cobre-berilio de 4 terminales garantiza que se mantenga la interconexión incluso si se producen fuertes choques (50G/100G) y vibraciones (20G). Los conectores Gecko-SL tienen un rango de temperatura de -65°C a +150°C y unas excelentes propiedades de desgasificación.

Los conectores Gecko-SL se suministran con un número muy variable de patillas. También fue importante para la plataforma Loki que ofreciera al equipo técnico de 4Links una flexibilidad mucho mayor en combinaciones de conexión que pudieran adaptar a la superficie disponible en la tarjeta portadora. Como consecuencia de ello, las patillas no usadas apenas ocuparon espacio.

«Los conectores Gecko-SL de Harwin ofrecían la alta densidad de patillas que necesitábamos de una forma mucho mejor de la que podríamos obtener con otras soluciones ya que solo ocupan una superficie mínima en la placa», señala Saunders, de 4Links. «También apreciamos mucho su versatilidad mucho mayor en el número de patillas en todas las versiones disponibles. Gracias a ello podemos asignar a cada función los conectores con el número de patillas requerido sin que queden patillas sin usar ni ocupar espacio innecesariamente”. La calidad de los productos que hemos recibido de Harwin, junto con el soporte técnico, han sido primordiales para comercializar nuestra plataforma Loki», concluye.

La plataforma Loki ya constituye la base de los sistemas informáticos de a bordo en numerosas misiones de satélites en órbita baja (LEO) para monitorizar el clima, observar la Tierra y eliminar chatarra espacial. También hay otros proyectos en marcha.