5:32 1

Simuladores de Satélite CURSO DE INVERNO 2014

Drª. Ana Maria Ambrosio

Msc. Christopher Cerqueira

Rodrigo Bassinello Ramazotti

Italo Pinto Rodrigues

5:32 2

Roteiro:

Contexto – Motivação

Conceitos

Simuladores em Espaço – Casos INPE

Modelagem

Interação

Pesquisas em Andamento

Mini estágios

5:32 3

Contexto e Motivações

5:32 4

5:32 5

Área de concentração: CSE Linhas de pesquisa

Segmento Espacial

Segmento Solo

Concepção

Especificação

Arquitetura e

Gerenciamento

Garantia

de Missão e

de Produto

Verificação, Validação, Modelagem e Simulação 5:32 6

Coordenações, Laboratórios e Centros do INPE atendidos pela CSE

Engenharia e Gerenciamento de Sistemas Espaciais

(CSE)

Coordenações e Laboratórios

ETE Engenharia e Tecnologia

Espaciais

LIT Laboratório de Integração e

Testes

CRC Centro de Rastreio e Controle

de Satélites

5:32 7

1_motivação - STK

5:32 8

1_ https://www.youtube.com/watch?v=9rlDwR83Fd8

Conceitos Modelagem, Identificação, Emulação e Simulação

5:32 9

Modelagem

5:32 10

Identificação

5:32 11

Emulação e Simulação

5:32 12

Workflows

5:32 13

Workflow - INPE

5:32 14

Simulação no segmento espacial

5:32 15

Segmentos de uma Missão Espacial

Segmento Espacial

- satélites

Segmento Solo

Centro de Controle

Centro de Missão

Estações terrenas

Segmento Usuário

Segmento Lançador 5:32 16

Usos no Ambiente espacial:

Análise, definição e validação de requisitos

Verificação e validação dos softwares.

Desenvolvimento de equipamentos (EGSE) e de procedimentos de teste.

Apoio as atividades de teste

Previsão de performance do sistema.

Desenvolvimento e validação de procedimentos operacionais.

Avaliação de solução de problemas

Treinamento de equipes

5:32 17

Satélite

Plataforma

Carga-útil

Estações Terrenas

Centro de Controle de Satélites

telecomando

telemetria

Elementos de uma missão espacial

5:32 18

Ciclo de desenvolvimento da missão

pre-A A B C D E F

Análise Projeto preliminar

Projeto detalhado

Produção e testes qualificação

Operação

Encerramento ou Descarte

Verificação e Validação

Simuladores

Fases

PRR

SRR

PDR CDR QR AR

ORR

LRR

CRR ELR

Revis

ões

5:32 19

Uso de simuladores no ciclo de vida da missão

pre-A A B C D E F

Sim. Análise de Missão

Sw Análise Elétrica

Sw Análise Térmica

Sim Tempo Real

Simulador Operacional

Simulador Fim-a-Fim

Análise Projeto preliminar

Projeto detalhado Produção Operação Encerramento

Simulador Carga-útil

Sw Análise Estrutural

5:32 20

Classificação segundo a ECSS-E-TM-10-21A

Tipo de Simulador Função

System Concept SCS System concept validation

Mission Performance (End-2-End)

MPS Mission performance validation (e.g. bugets)

Functional Engineering FES System performance validation (req. consolidation, algo. valid.)

Functional Validation Testbench

FVT Critical Item design validation (SUT = Breadboard)

Software Verification Facility SVF Critical system software validation (with of without HIL)

Spacecraft V&V (AIV Facility) SVV Incremental Spacecraft AIV

Ground Segment V&V GS Incremental low-level ground segment V&V

Operations Op Validation of GS & Op. Process 5:32 21

Exemplos de simuladores

5:32 22

Simulador de Análise de Missão

Objetivo:

i. analisar, verificar durante as fases iniciais da missão, soluções para satisfazer a missão

ii. proporcionar facilidades para análise da órbita e trajetória do satélite, análise de orçamento (potência necessária, variação térmica), estrutura.

5:32 23

Simulador fim-a-fim de missões (Mission Performance Simulator)

Objetivo: i. estudar conceitos e viabilidade da missão para

atender seu uso finalístico.

ii. Este tipo de simulador é capaz de reproduzir todos os processos e passos significativos que impactam a performance da missão e gerar produtos de dados finais simulados. 5:32 24

Simulador de Carga-útil

Objetivo: i. analisar o comportamento, demonstrar performance,

habilidade, validar as operações de um determinado instrumento científico ou tecnológico, antes de sua construção ou sua operação em voo.

5:32 25

Software para projeto e Análise Térmica

Objetivo: i. analisar a distribuição de temperatura e o fluxo de calor nos

subsistemas e equipamentos do satélite, através da definição de cenários de piores-casos. SindaFluente, PCTer (INPE)

5:32 26

Software para projeto e Análise Térmica

Modelo: diagrama mecânico do satélite representando o sistema físico (modelo da rede térmica do satélite). Para se obter a variação térmica leva-se em consideração: a dinâmica de voo e as condições ambientais espaciais, ou seja, posição do sol, posição dos equipamentos no satélite e tipo de material que compõe e ou reveste os equipamentos, a potência dissipada pelos equipamentos, etc...

5:32 27

Software para projeto e Análise Elétrica

Objetivo: i. Permite estudar o sistema para prevenir possíveis interferências

entre módulos. Considera-se voltagem, potência, corrente, conversores de corrente-voltagem, geradores de sinais que rastreiam um sinal de controle, indutores, resistências, capacitores, linha de transmissão, transformadores, transistores, sensores de voltagem, etc.

5:32 28

Software para projeto e Análise Estrutural

Objetivo: i. analisar a estrutura geral do satélite, a melhor

distribuição dos equipamentos dentro do satélite, etc.. Ex.: Solid Works, Nastran e Ansys

5:32 29

Simulador de Tempo-real

Objetivo: i. prover funções em tempo real para validar o sistema com

o hardware no loop, ou com um emulador do processador para rodar o software de bordo real.

Avionic Test Bed ou Avionic Test Bench Simulator

5:32 30

Simulador de Tempo-Real

Objetivo: i. analisar e testar soluções de AOCS, calibrar sensores e atuadores i. Tipos de análises realizadas: margem de erro de apontamento, trade-

off de diferentes soluções de projeto, performances do AOCS (análise paramétrica), degradações de performance devido à falha total ou parcial de componentes do subsistema de controle de órbita e atitude.

ii. Composição: modelos de dinâmica de voo, ambiente espacial, inclui distúrbios. Pode conter sensores e atuadores em hardware e/ou software.

Controle de Órbita e Atitude

5:32

31

Simulador de Tempo-real

i. Pode conter os modelos de dinâmica de voo e modelos dos subsistemas com os quais o OBDH interfaceia.

ii. Simulador de Tempo real pode conter Hardware-in-the-loop – quando o simulador inclui o hardware do computador de bordo, o simulador deve tratar os protocolos de comunicação entre os equipamentos dentro do satélite. Exemplo destes protocolos são: MIL-STD-1553, SpaceWire, PacketWire, UART.

Software de Supervisão de bordo

5:32 32

Simulador Operacional

Objetivos: i. validar o Segmento Solo completo e em particular, validar os

procedimentos de operação de voo (procedimentos operacionais)

ii. treinar equipes de controle da missão e equipes de estações terrenas

Ref.: Larry B. Rainey - Space Modeling and Simulation – roles and applications throughout the System Life Cycle. 2004.

5:32 33

Simulador Operacional

Seu maior uso é na fase operacional da vida do satélite, servindo como uma referência do satélite para validação, antes de sua execução a bordo, de quaisquer atividades críticas necessárias após o lançamento o satélite. É considerado o maior dos simuladores do Segmento Solo, pois consiste de elementos de todos os elementos previamente simulados e a evolução do modelo real comparado ao ciclo de vida.

5:32 34

Simulador Operacional

Plataforma

Carga-útil

Estações Terrenas

Centro de Controle de Satélites

Telemetria Telecomando Ranging Range-rate

TC TM

Satélite

5:32 35

Simulador Operacional

Composição: i. Modelos detalhados dos subsistemas da plataforma,

ii. Modelo da carga-útil limitado a modelagem funcional

simplificada de: i. geração de TM de serviço, ii. transição de modos de operação do instrumento, iii. uso dos recursos da plataforma,

iii. Modelo de dinâmica de voo - posição orbital, velocidade do

satélite, região de visibilidade das estações, atitude, etc...

iv. Modelo do ambiente espacial - como posição do sol, irradiação solar,

v. Modelo das estações terrenas

5:32 36

Simuladores Operacionais no INPE

SIMS – to the SCDs

• 1991

• Fortran

• High Fidelity

• High User Satisfaction

SIMC – To the CBERS

• 1998

• C++

• Medium Fidelity

• Medium User Satistcation

FBMSIM – To the FBM

• 2002

• C++

• Medium Fidelity

• User satisfation not evaluated

SIMC3 – To the CBERS-3&4

• Under development

• C++

• Hight fidelity

• In develpment

(AMBROSIO et al., 2006) 5:32 37

Modelagem

5:32 38

Filosofia de Modelos

Filosofia de modelos: consta da definição do número e das

características dos modelos necessários para obter confiança

na verificação do produto (equipamento, subsistema,

satélite), com adequado balanço de custo, qualidade e tempo.

Model Based Development

5:32 40 http://www.gaio.com/product/solutions/mbd_solutions.html

Modelos desenvolvidos para uma missão espacial

Para realização das atividades de V&V (verificação e validação) de uma missão espacial, diversos modelos (do satélite, dos subsistemas, do comportamento, do ambiente espacial) são construídos.

Estes modelos podem ser:

modelos físicos e

modelos lógicos.

Modelos físicos desenvolvidos para uma missão espacial

Modelos físicos de satélites normalmente desenvolvidos:

Structure Model (SM),

Thermal Model (TM),

Engeneering Model (EM),

Qualification Model (QM),

Flight Model (FM)

Modelos físicos de equipamentos e/ou de subsistemas também podem ser desenvolvidos.

Exemplos de modelos físicos de satélites

Modelo Térmico de satélite japonês

Modelo de Engenharia do Satélite CBERS-3

Modelo Termo-estrutural do CBERS-2B

Modelo de Voo do satélite CBERS-2B

Exemplos de modelos físicos

RF Suitcase dos satélites SCD-1 e SCD-2

Modelo RADIO-ELÉTRICO do CBER-3

Simula a transmissão e recepção de sinais em RF dos satélites SCD-1 e SCD-2, para teste das antenas das estações terrenas.

Modelos lógicos

Os modelos lógicos são usados nos simuladores.

Simulador

Simulador – é usualmente um sistema de computador (algoritmos, processador único ou rede) que pode executar um modelo para reproduzir seu comportamento. O termo simulador pode se referir a software, hardware ou ambos.

Modelo - é um conjunto de instruções, regras, equações e restrições que nos permite gerar resultados semelhantes aos gerados pelo comportamento do sistema real.

Games

Jogos são Simulações

i. Jogos: + Emocionais, bonitas, histórias, investem em usabilidade.

ii. Simuladores: + Fidelidade, arquitetura, recursos.

5:32 47

Máquinas de estados e jogos

O comportamento pode ser modelado (na maior parte dos casos) como uma sequencia de “estados mentais”, onde uma mudança é realizada por ações do jogador/outros elementos.

“Inteligência artificial em jogos”

5:32 48

Exemplo

X 5:32 49

5:32

Presa ( Lala )

Presa (laalaa)

Atoa (stand,wave,…)

Foge (corre)

Vê o predador

Não vê o predador

Capturado DIE!!! 50

5:32

Predador (O PREDADOR)

Atoa (fica parado)

Fome (procura)

Persegue (corre)

Tatoa > 5

Presa a vista

Tpersegue > 10

Jantando

Presa capturada

Tjanta>5

51

MEF – Entender o contexto

Ações

Focar no Satélite

• foc.sat

Focar no Globo

• foc.g

Focar no Subsistema

• foc.sub

Focar no Globo + Sat

• foc.gs

Sobrepor Subsistema

• sob.sub

5:32 52

MEF - Modelar

i. Máquina de estados – Autômatos -

ii. Visões diferentes

5:32 53

MEF – Modelar

5:32 54

MEF - Implementar

5:32 55

MEF - Codificar

5:32 56

Exemplo de Modelagem

Caso de modelagem de subsistemas via tabelas.

Apresentação: Rodrigo Bassinello Ramazotti

5:32 57

Interação

5:32 58

“The product is no longer the basis of

value. The experience is.”

Venkat Ramaswamy

The Future of Competition

59 5:32

5:32 60

3 níveis

Lógico: Resolvem, solucionam, facilitam.

Emocional: Satisfazem necessidades e desejos afetivos.

Visceral: resolvem questões fundamentais, sem consciência. Impulso. 5:32 61

Espera.... Visceral?

5:32 62

5:32 63

Interação homem-máquina

5:32 64

Software Usuários INTERAÇÃO

Mensagens

INTERFACE

“A troca de mensagens entre dois ou mais participantes”

5:32 65

Interação Natural 5:32 66

CLI – Command Line Códigos, estritos

GUI – Grafical Metáforas, exploratória

NUI – Natural Direta, intuitiva

RV RA

5:32 67

Começo

1963

Ivan Sutherland

51 ANOS

Sutherland

5:32 68

5:32 69

https://www.youtube.com/watch?v=USyoT_Ha_bA

https://www.youtube.com/watch?v=BKM3CmRqK2o

Kirner’s Diagram

Source: (KIRNER et al., 2012)

Cave

M$

GRU

OASIS

CLIMB

LEGO Robots

SL

Scope

basAR

5:32 70

Cave - https://www.youtube.com/watch?v=Gb9ayYGM-4c

OASIS - https://www.youtube.com/watch?v=6LHdGIBSq9s

CLIMB - https://www.youtube.com/watch?v=UNr3bxysSb0

SCOPE - https://www.youtube.com/watch?v=eVV5tUmky6c

basAR – Meu canal: https://www.youtube.com/user/bodusb

SL - https://www.youtube.com/watch?v=0jcRZjhi1e0

Robots - https://www.youtube.com/watch?v=3BJFxnap0AI

M$ - https://www.youtube.com/watch?v=peSYlJlg14E

5:32 71

Realidades – Realidade Virtual

interface que permite ao

usuário interagir, em tempo real, com

um mundo tridimensional

gerado por computador, usando seus

sentidos através de

equipamentos especiais.

SOURCE: NASA (2013a)

5:32 72

Realidades – Realidade Aumentada

uma interface

baseada na sobreposição de informações virtuais geradas por computador (envolvendo

imagens estáticas e dinâmicas, sons espaciais e sensações hápticas) com o ambiente físico do usuário,

percebida através de dispositivos tecnológicos e

usando as interações naturais do usuário, no

mundo físico.

SOURCE: Adapted from ESA (2009) and Capua (2008)

5:32 73

Billinghurst Vision

Intr

odução

24/07/2014 74 fb.com/RVA.BR

Billinghurst – Popularizador da Realidade Aumentada

5:32 75

Christopher Vision

Informação virtual

Interação Natural

dispositivos tecnológicos 5:32 76

Realidades – Realidade Cruzada é um ambiente de realidade misturada ubíqua, que vem da fusão de uma rede de

sensores e atuadores (que coletam e enviam dados

relacionados ao mundo real) com mundos virtuais

compartilhados, usando a interface da realidade

aumentada.

Claudio Kirner

Intr

odução

5:32 77

HIT - ROADMAP

CR AI

HI

AR

IoT HR

KMatsuda

5:32 78 Kmatsuda: https://www.youtube.com/channel/UCJn3V1947go9Xq9DhdVL1hQ

79

GLASS

5:32

GLASS - https://www.youtube.com/watch?v=4EvNxWhskf8

80

AREngine Tango Tango

5:32

AREngine - https://www.youtube.com/watch?v=6br7NreTwD4 Tango – https://www.youtube.com/watch?v=Qe10ExwzCqk https://www.youtube.com/watch?v=bstopUGZNUk

NUI

Tangíveis

Móveis

Especializados

Institutos

inFORM

Sand

STable

Synth

MYO

META

Kinect

5:32 81

Stable - https://www.youtube.com/watch?v=Mm3HKf1FWx4

Synth - https://www.youtube.com/watch?v=kibLIrqc4oY

MYO - https://www.youtube.com/watch?v=oWu9TFJjHaM

META - https://www.youtube.com/user/metaAugmentedReality

SandStation - https://www.youtube.com/watch?v=a1M3ZtXV7_k

inForm - https://www.youtube.com/watch?v=ouP9xNujkNo

5:32 82

Exemplo de Interação

Trabalho de Mestrado

Apresentação: Christopher

PG

5:32 83

Intr

odução

24/07/2014 84 fb.com/RVA.BR

ERA TROGLODITA

Graduação (2010):

ARToolKit

PTAMM

Bolsista DTI (2011):

basAR

Conectar com ARDUINO em C++

Literatura indica FIRMATA: http://firmata.org/wiki/Download

24/07/2014 85 fb.com/RVA.BR

ERA TROGLODITA (C++)

Graduação (2010):

ARToolKit

PTAMM

Bolsista DTI (2011):

basAR

ERA DO FOGO (C++/oF)

Mestrado (2012):

Doutorado (2014):

24/07/2014 86

Simuladores no INPE

SIMS – to the SCDs

•1991

•Fortran

•High Fidelity

•High User Satisfaction

SIMC – To the CBERS

•1998

•C++

•Medium Fidelity

•Medium User Satistcation

FBMSIM – To the FBM

•2002

•C++

•Medium Fidelity

•Low User Satisfaction

SIMC3 – To the CBERS-3&4

•Under development

•C++

•Tbd fidelity

•Without testing

(AMBROSIO et al., 2006)

? 5:32 87

Objetivos

Propor uma interface-usuário utilizando Realidade Virtual e manipulação 3D.

Avaliar seu potencial.

Indicar uma tecnologia viável.

Metáforas

Usabilidade

5:32 88

CBERS

IHM

Sim

ula

dore

s

• Conceitos • Visualizações em simulação • Exemplos • Simulador operacional

SIMC3

• Estudo da Modelagem • Estudo dos Requisitos • Protótipo: Analix

• Mundos: MR, RA, RV, RC, etc...

• Gerações de Interfaces

Metáforas de uso

openFrameworks

89

Inte

ração

Revis

ão

Técnicas: • Informação

Contextualizada • Visualização de dados • Views • Modelos 3D

5:32

Views (Múltiplas Visões e Mapas)

90 5:32

Modelos 3D do satélite CBERS3

91

Arquivos .STL Fornecidos pelo Lincoln Azevedo

1 2

3

4

5:32

RDT (Reconfigurable Disk Trees)

5:32 92

Painéis - ofxUI

5:32 93

Vídeos/Exemplos

Exemplo da tela inicial

Exemplo do controle do mouse

Exemplo do touch’n’action – ver painel

Exemplo do drag de visões

Exemplo da navegação por RDT

Exemplo da navegação no modelo 3D

5:32 94

Criado para artistas e designers Desenvolvido por: Zach Liberman, Theo Watson, Artuno

Castro e Chris O’Shea

Proposta: Arrumar a falta de comunicação entre

diversas bibliotecas em C++, e permitir portabilidade.

Escrita em C++ Licença: MIT (educacional e venda)

openFrameworks

oF1 oF2 5:32 95

htt

ps:/

/ww

w.y

outu

be.c

om

/watc

h?v=

6u6ID

orM

KAs

C++ Portável!!!!

96 5:32

Estudo do Hardware-in-the-Loop

Trabalho de Mestrado

Apresentação: Italo Pinto Rodrigues

PG

5:32 97

Finalizando...

5:32 98

Finalizando

Mudança de paradigma

Frameworks

Interações

Multidisciplinar

Muuuuuuito mais (mas muito mesmo) está por vir.

5:32 99

PG Models Models Infrastructure Interaction

User Interfaces

RTI

Satellite

OBDH

AOCS

PROP

POWER

TÉRMICA

PAYLOAD

Earth Station

Space Environ.

Realidade Virtual

Realidade Cruzada

Padrões: SMP e HPA

Benchmark de Resiliência

Modelos

adaptativos

SimRT

Térmico / HIL

Pesquis

as e

m a

ndam

ento

Drª. Ana Maria Ambrosio

5:32

100

Futurologia

FUTURO!?!?

5:32

101

Possibilidades de mini-estágios

a) Com Rodrigo ( 1 Pessoa ) - para montar 1 modelo em LabView. Requisito: Lógica de programação / Desejável: LabView.

b) Com Italo ( 1 Pessoa ) - MatLab (Orbita) conectar no Arduino. Requisito: MatLab

c) Com Christopher ( Máx 3 pessoas ) - openFrameworks. Requisito: C++

5:32

102

Thks!

Christopher:

cscerqueira.com.br

christophercerqueira@gmail.com

fb.com/RVA.BR

Prédio Satélite – 70 - Ramal 7321

Rodrigo:

rodrigo.ramazotti@inpe.br

Italo:

italo.rodrigues@hotmail.com

5:32

103