Uçuş Bilgisayarı, Radyasyon SEU ve Watchdog Mimarisi

Uçuş bilgisayarı ve komuta-veri işleme (OBC/CDH) alt sistemi, küçük bir uydunun sinir sistemini oluşturur: yerden gelen telekomutları doğrular ve yürütür, alt sistemlerden durum telemetrisini toplayıp çerçeveler, faydalı yük görevlerini zamanlar, araç saatini tutar ve otonom kip geçişlerini yönetir. Merkezi mimaride tek bir mikrodenetleyici tüm çevre birimlerini doğrudan sürerken, dağıtık mimaride her kart kendi yerel denetleyicisini taşır ve arızalar deterministik veri yolları üzerinden kolayca yalıtılır.

Küçük uydu veri omurgaları; kart içi kısa mesafeli I²C, SPI ve UART hatlarını gürültüye bağışık diferansiyel RS-485, CAN veya daha büyük platformlarda yüksek hızlı SpaceWire ağlarıyla birleştirir. 42,0 × 42,0 mm PocketQube kart yığınları için geliştirilen PQ9 standardı, hacimli CubeSat geçmeli konnektörleri yerine 9 pinli RS-485 veri hattı ve regülesiz güç hatları sunar ve 3P Delfi-PQ görevinde uçurulmuştur; 14 pinli CS14 türevi ise aynı yalın yaklaşımı modüler CubeSat arka plakalarına taşır.

İşlemci seçimi, komut başına enerji tüketimi ile tekil radyasyon olaylarına dayanıklılık arasında denge kurar. Güç kısıtlı 1P ve 1U tasarımları FreeRTOS, Zephyr veya gerçek zamanlı RTEMS çekirdeklerini çalıştıran FRAM tabanlı MSP430FR ya da Arm Cortex-M4 STM32 ailelerini tercih ederken; radyasyona dayanıklı Cortex-M7 (SAMV71Q21RT) ve Arm+FPGA yonga üstü sistemler (Zynq-7000, Cyclone V) görüntü sıkıştırma ve yazılım tanımlı radyo işleme görevlerini üstlenir. Referans 1P bütçesi ≈0,55 W yörünge ortalaması üretimden OBC'ye yalnızca ≈15 mW ayırdığından işlemci 95,1 dakikalık dolanımın büyük bölümünü uyku kipinde geçirir.

500–550 km Güneş eşzamanlı alçak Dünya yörüngelerinde pikouydular ve nanouydular çoğunlukla yalnızca 1,0–1,5 mm alüminyum veya 1,6 mm FR-4 laminat zırhlama taşır; ancak 1,5–3 yıllık kısa görev ömürleri toplam iyonlaştırıcı dozu (TID) 1–4 krad(Si) bandında tutar (1 mm Al arkasında yılda ≈0,5–2,5 krad(Si)). Güncel ticari hazır (COTS) CMOS mikrodenetleyiciler, alıcı-vericiler ve doğrusal regülatörler parametrik arıza göstermeden 5–20 krad(Si) doza dayanır; ticari OBC kartları ise 10–300 krad(Si) tolerans beyan eder.

Bu nedenle LEO'daki birincil aviyonik tehdit yavaş gelişen TID aşınması değil, Güney Atlantik Anomalisi'nde (SAA) hapsolmuş yüksek enerjili protonların (>30 MeV) ve kutup bölgelerindeki galaktik kozmik ışınların tetiklediği Tekil Olay Etkileridir (SEE). Yıkıcı olmayan Tekil Olay Bozulması (SEU) SRAM, işlemci yazmaçları veya Flash yapılandırma hücrelerinde bit çevrilmesine yol açarken; Tekil Olay Kilitlenmesi (SEL) CMOS içindeki parazitik tristörü tetikleyerek besleme ile şase arasında düşük empedanslı kısa devre oluşturur ve milisaniyeler içinde kesilmezse yongayı ısıl olarak tahrip eder.

Güvenilir bellek mimarileri yığın veri depolama ile kritik durum parametrelerini birbirinden ayırır. NAND/NOR Flash yüksek yoğunluk sunar ancak yavaş sayfa silme gecikmesiyle yalnızca ~10⁵ yazma çevrimine dayanır. Buna karşılık Ferroelektrik RAM (FRAM; düşük enerjili hızlı yazma ve 10¹⁴ çevrim ömrü) ile Manyetodirençli RAM (MRAM; ~10¹³ çevrim) önyükleme sayaçlarını, yörünge parametrelerini ve bekleme zamanlayıcılarını proton bit çevrilmelerine bağışık kutuplanma durumlarında saklar; Üçlü Modüler Yedeklilik (TMR) oylaması ve periyodik CRC-32 taramasıyla korunur.

Uçuş yazılımı dört ana işletim kipinden oluşan deterministik bir sonlu durum makinesi olarak kurgulanır. Dağıtıcıdan ayrılışta girilen Fırlatma / Açılım Bekleme kipi, kalıcı bir sayaç 30–45 dakikaya ulaşana dek RF yükselteçlerini ve ısıl bıçakları kesin olarak kapalı tutar; sayacın FRAM'da tutulması, soğuk tutulma kaynaklı bir gerilim çökmesi (brown-out) sonrasında geri sayımın sıfırlanmadan kaldığı yerden sürmesini sağlar. Ardından Sönümleme ve Anten Açılımı kipi B-dot manyetik frenlemeyi ve yakma dirençlerini çalıştırır; V_bat ≥ 3,75 V iken Nominal kipe (30–120 s işaretçi ve görev planlama), V_bat < 3,45 V altında ise yükleri kapatan Güvenli Kipe geçilir.

Yörüngede SEU bit hataları, I²C veri yolu kilitlenmeleri ve tutulma gerilim düşümleri olağan olduğundan uçuş kanıtlı küçük uydular üç katmanlı bağımsız bir kurtarma zinciri uygular. Katman 1'de yazılımsal denetçi görev; haberleşme, yönelim ve algılayıcı iş parçacıklarının yaşam bayraklarını doğrulamadan bekçi pinini tetiklemez. Katman 2'de bağımsız harici pencereli donanım watchdog entegresi, radyasyon olayı hem işlemci çekirdeğini hem kristal osilatörü aynı anda dondurduğunda sert sıfırlama (hard reset) üretir.

Katman 3 elektrik güç sisteminde (EPS) yer alır: hat bazlı hızlı aşırı akım anahtarları (t_trip < 1 ms) yıkıcı SEL akımlarını bastırıp soğuma gecikmesi sonrasında hattı yeniden beslerken, otonom EPS zamanlayıcısı OBC'den 12–24 saat boyunca geçerli I²C/RS-485 çerçevesi gelmezse gücü tamamen kesip açar. Alt sistemler arası doğrudan donanım çapraz kontrolleri ek güvence sağlar—Grizu-263A'da radyo ile OBC arasındaki iletişim koptuğunda telsiz hata kodunu doğrudan EPS'ye iletmiştir—çift görüntülü önyükleyiciler ise yörüngede yazılım güncelleme güvenliğini korur.

İndirme hattı protokol tasarımı, düşük yükselim açılı sınır geçişlerin kullanılabilir veri mi üreteceğini yoksa kaybedileceğini mi belirler. Klasik amatör CubeSat'lar 16–20 B çağrı işareti başlığı, 2 B CRC ve HDLC bit doldurma içeren kodlamasız AX.25 UI çerçeveleri kullanmıştır; ancak 0x7E bayrağındaki tek bir bit hatası tüm paketi düşürür ve kodlamasız 2-FSK BER = 10⁻⁵ için E_b/N_0 ≈ 13,4 dB gerektirir. CubeSat Uzay Protokolü'nü (CSP, 4 B başlık) CCSDS RS(255,223) blok koduyla (blok başına 16 bayta kadar hata düzeltme) veya evrişimli (r = 1/2, k = 7) / CCSDS LDPC kodlarıyla birleştirmek 4–7 dB kodlama kazancı sağlar.

Günlük net veri hacmi yer istasyonu temas geometrisi ve çerçeveleme ek yükleriyle sınırlıdır. 525 km SSO yörüngedeki bir uydu (günde ~15,14 dolanım), 40° enlemde 10° yükselim maskesi üzerinde günde dört ila altı geçişte toplam ~22–25 dakika görünürlük sunar; yerel gürültü maskeyi 20°'ye zorlarsa kullanılabilir süre yarıdan fazla düşer. 8–16 B ön ek, 4 B eşzamanlama kelimesi, eşlik baytları (128 B yükte AX.25 için η_frame ≈ 0,78; CSP + RS için ≈0,85) ve %70–85 yarı çift yönlü gönderim oranı hesaba katıldığında, 4800 bit/s UHF hattı günde ~520 kB brüt (~40 kB/gün işaretçi düşüldüğünde ~350–450 kB net yük) indirir.

Telemetri içeriği ve açık kod çözücüler operasyonel erişimi katlar. 237 g'lık 1P Grizu-263A her çerçeveye 31 durum alanı—kimlik ve zaman, iç sıcaklık, yedi adet INA tipi izleyiciden 14 akım/gerilim kanalı ve dokuz IMU ekseni—sığdırarak her 10 saniyede beş çerçeve göndermiştir. Fırlatma öncesinde şifresiz Kaitai Struct (.ksy) ve gr-satellites tanımlarının yayımlanması, küresel SatNOGS istasyonlarının ilk geçişlerden itibaren veriyi otomatik çözmesini sağlarken kimlik doğrulamalı telekomutlar zorunlu ITU verici kapatma hattını korumuştur.