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New Horizons: Mit 12 MHz zum Pluto (Update)

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new horizonsAlle Weltraumbegeisterten dürfte dieser Sommer in Erinnerung bleiben, denn die Raumsonde New Horizons der NASA besuchte den ehemaligen Platen Pluto mit seinen Monden. Erst im vergangenen Jahr schaffte es die ESA, einen Lander auf einem Kometen abzusetzen, auch wenn dies anders als ursprünglich geplant verlief. Solche Langzeitmissionen sind eine technische Herausforderung, denn der lange Flug in extremer Kälte und die Strahlenbelastung im Weltraum setzen moderner Hardware recht schnell zu. Auch die langfristige Planung, Entwicklung und die Missionsdauer stellen eine Herausforderung dar.

Die Sonde New Horizons wurde am 19. Januar 2006 gestartet. Bereits Jahre davor mussten die technischen Spezifikationen festgezogen werden. Die neueste Hardware kann man an Bord einer solchen Sonde also nicht erwarten. Imagination Technologies erläutert in einem Blogpost den Einsatz der eigenen Hardware auf der Raumsonde und spricht auch etwas über die Voraussetzungen, die an einen dort verwendeten Prozessor gestellt werden.

New Horizons in der Montagehalle vor dem Start
New Horizons in der Montagehalle vor dem Start

New Horizons verwendet für die Navigation und Steuerkontrolle sowie die Übertragung und die Datenverarbeitung zwei getrennte Systeme. Diese sind jeweils redundant vorhanden, so dass insgesamt vier Computersysteme mit einzelnen Prozessoren ihren Dienst verrichten. Verwendet wird ein Prozessor auf MIPS-Basis namens Mongoose-V. Beim Mongoose-V handelt es sich um eine strahlengehärtete Version des MIPS R3000, der von Synova in Florida gefertigt wird.

Die NASA und Synova haben gemeinsam verschiedene Einsatzprofile für den Prozessor entwickelt, die verschiedene Takt- und Timing-Routinen beinhalten. Die so abgestimmte Zusammenarbeit von Hard- und Software sollte Fehler verhindern und Ausfallzeiten sowie Komplettausfälle vermindern. So wurde der höchste Takt auf 12 MHz festgelegt – im Hinblick auf die Taktung moderner CPUs und GPUs natürlich kein Vergleich. Der Mongoose-V-Prozessor wurde aber auch für bestimmte Anwendungen spezifiziert. Dazu gehören die Analyste von Positionsdaten, die Verarbeitung der Kommandos von der Bodenstation an die verschiedenen Sub-Systeme, die Sammlung und Verarbreitung der Sensordaten sowie die Vorbereitung für das Senden der Daten zurück an die Bodenstation. Im Falle einer Störung kann der Mongoose-V auch einen automatisierten Algorithmus ausführen, der die Sonde in Teilen automatisch steuert und ausrichtet sowie die Kommunikation mit der Bodenstation sicherstellen soll.

Chipshot des Mongoose-V-Prozessors
Chipshot des Mongoose-V-Prozessors

Der MIPS R3000 ist ein 32-Bit-RISC-Mikroprozessor. RISC steht für Reduced Instruction Set Computer und beschreibt das Design bzw. die notwendigen Befehle als extrem kompakt und effizient. Er wurde in zahlreichen Servern und Workstations von Unternehmen wie Evans & Sutherland, DEC, Silicon Graphics, Tandem Computers und Whitechapel Workstations verwendet. Noch heute verbaut Toshiba den MIPS R3000 in einigen Mikrokontrollern und am bekanntesten dürfte der Prozessor durch den Einsatz in der ersten PlayStation von Sony geworden sein. Er basiert auf der MIPS-I-ISA-Architektur aus den späten 1980er-Jahren. Hier werden die Dimensionen der Entwicklungszyklen für eine Raumsonde sicherlich am deutlichsten.

Das CPU-Design ist weit weniger komplex als heutzutage und wurde, wie bereits erwähnt, auf eine hohe Effizienz hinsichtlich der zu übertragenen Befehle entwickelt. Die meisten Instruktionen werden durch die 5-Layer-Pipeline in einem Takt erledigt. Doch die eigentliche CPU ist nur ein kleiner Teil des MIPS R3000. Hinzu kommen ein numerischer Coprozessor, Speicherkontroller, Timer, eine automatische Fehlererkennung und vieles mehr. Weitere Details werden in einem Whitepaper beschrieben und zeigen die Designvorgaben der 1980er sehr schön auf.

Blockdiagramm des Mongoose-V-Prozessors
Blockdiagramm des Mongoose-V-Prozessors

Auch wenn New Horizons den Pluto und seine Monde bereits passiert hat, wird die Mission weiter fortgesetzt. Die NASA plant noch ein bis zwei weitere Objekte des Kuiper-Gürtels zu besuchen. Im Rahmen des NASA-New-Frontier-Programms sind noch weitere Missionen geplant, die aus technischer Sicht sicherlich ebenso faszinierend sind und einen dennoch gleichzeitig in die Vergangenheit zurückbefördern.

Update:

Imagination Technologies hat weitere Informationen zur Hardware auf der New-Horizon-Mission veröffentlicht. Zunächst einmal wird auf die Rechenleistung eingegangen, die der Mongoose-V-Prozessor zur Verfügung stellt. Diese liegt um einige Faktoren über dem, was bisher im Weltraum verwendet wurde. Interessant sind die Vergleiche zur zeitlichen Entwicklung solcher Hardware, die ab 1972 für Weltraummissionen verwendet wurde.

Vergleich der Rechenleistung des Mongoose V gegenüber früheren Missionen
Vergleich der Rechenleistung des Mongoose V gegenüber früheren Missionen

Der von Synova gefertigte Prozessor kommt auf einen Stückpreis von 20.000 bis 40.000 US-Dollar - je nachdem wie viele gefertigt werden müssen. Der auf die Verarbeitung der Daten ausgelegte Prozessor muss beispielsweise Bilder einer Kamera mit 1 Megapixel verarbeiten. Dies klingt nach keiner besonderen Herausforderung, allerdings wird eine Bildbearbeitung angewendet, damit zunächst einmal nur die notwenigen Daten gesendet werden müssen. Auf einem 16 GB Flashspeicher wurden und werden alle Daten zunächst zwischengespeichert. Auch dieser wurde speziell gehärtet, um der Strahlung im Weltraum zu wiederstehen.

Die Datenübertragungsrate beträgt 2 KBit/s. Ein Bild mit 1.200 x 900 Pixel braucht somit 3-4 Stunden, um über das Deep Space Network der NASA übertragen zu werden. Es wird auch noch mehrere Monate wenn nicht Jahre dauern, bis New Horizon alleine die Daten des Vorbeifluges am Pluto übertragen hat. Dank der Plutonium-Batterie und weiteren geplanten Vorbeiflügen an Objekten des Kuiper-Gürtels hat die Raumsonde dazu aber auch etwa 88 Jahre Zeit.

Eines der Systeme von New Horizon im Vergleich zu anderen
Eines der Systeme von New Horizon im Vergleich zu anderen

In einem Blogpost gibt Imagination noch weitere Einblicke, auch in die Software und die Arbeit an der Hardware von New Horizon.

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