Curso de Inverno 2014 - Simuladores de Satélite

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Curso de Inverno 2014 - Simuladores de Satélite

  1. 1. 5:321
  2. 2. Simuladores de Satélite CURSO DE INVERNO 2014 Drª. Ana Maria Ambrosio Msc. Christopher Cerqueira Rodrigo Bassinello Ramazotti Italo Pinto Rodrigues 5:322
  3. 3. Roteiro:  Contexto – Motivação  Conceitos  Simuladores em Espaço – Casos INPE  Modelagem  Interação  Pesquisas em Andamento  Mini estágios 5:323
  4. 4. Contexto e Motivações 5:324
  5. 5. 5:325
  6. 6. 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 5:326
  7. 7. 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 5:327
  8. 8. 1_motivação - STK 5:328 1_ https://www.youtube.com/watch?v=9rlDwR83Fd8
  9. 9. Conceitos Modelagem, Identificação, Emulação e Simulação 5:329
  10. 10. Modelagem 5:3210
  11. 11. Identificação 5:3211
  12. 12. Emulação e Simulação 5:3212
  13. 13. Workflows 5:3213
  14. 14. Workflow - INPE 5:3214
  15. 15. Simulação no segmento espacial 5:3215
  16. 16. Segmentos de uma Missão Espacial  Segmento Espacial - satélites  Segmento Solo  Centro de Controle  Centro de Missão  Estações terrenas  Segmento Usuário  Segmento Lançador 5:3216
  17. 17. 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 5:3217
  18. 18. Satélite Plataforma Carga-útil Estações Terrenas Centro de Controle de Satélites telecomando telemetria Elementos de uma missão espacial 5:3218
  19. 19. 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 Revisões 5:3219
  20. 20. 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 5:3220
  21. 21. 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. Process5:3221
  22. 22. Exemplos de simuladores 5:3222
  23. 23. 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. 5:3223
  24. 24. 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. 5:3224
  25. 25. 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. 5:3225
  26. 26. 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) 5:3226
  27. 27. 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... 5:3227
  28. 28. 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. 5:3228
  29. 29. 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 5:3229
  30. 30. 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 5:3230
  31. 31. 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
  32. 32. 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 5:3232
  33. 33. 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. 5:3233
  34. 34. 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. 5:3234
  35. 35. Simulador Operacional Plataforma Carga-útil Estações Terrenas Centro de Controle de Satélites Telemetria Telecomando Ranging Range-rate TC TM Satélite 5:3235
  36. 36. 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 5:3236
  37. 37. 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) 5:3237
  38. 38. Modelagem 5:3238
  39. 39. 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.
  40. 40. Model Based Development 5:3240 http://www.gaio.com/product/solutions/mbd_solutions.html
  41. 41. 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.
  42. 42. 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.
  43. 43. 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
  44. 44. 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.
  45. 45. Modelos lógicos Os modelos lógicos são usados nos simuladores.
  46. 46. 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.
  47. 47. Games Jogos são Simulações i. Jogos: + Emocionais, bonitas, histórias, investem em usabilidade. ii. Simuladores: + Fidelidade, arquitetura, recursos. 5:3247
  48. 48. 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” 5:3248
  49. 49. Exemplo X 5:3249
  50. 50. 5:32 Presa ( Lala ) Presa (laalaa) Atoa (stand,wave,…) Foge (corre) Vê o predador Não vê o predador Capturado DIE!!!50
  51. 51. 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
  52. 52. 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 5:3252
  53. 53. MEF - Modelar i. Máquina de estados – Autômatos - ii. Visões diferentes 5:3253
  54. 54. MEF – Modelar 5:3254
  55. 55. MEF - Implementar 5:3255
  56. 56. MEF - Codificar 5:3256
  57. 57. Exemplo de Modelagem  Caso de modelagem de subsistemas via tabelas.  Apresentação: Rodrigo Bassinello Ramazotti 5:3257
  58. 58. Interação 5:3258
  59. 59. “The product is no longer the basis of value. The experience is.” Venkat Ramaswamy The Future of Competition 59 5:32
  60. 60. 5:3260
  61. 61. 3 níveis Lógico: Resolvem, solucionam, facilitam. Emocional: Satisfazem necessidades e desejos afetivos. Visceral: resolvem questões fundamentais, sem consciência. Impulso. 5:3261
  62. 62. Espera.... Visceral? 5:3262
  63. 63. 5:3263
  64. 64. Interação homem- máquina 5:3264
  65. 65. Software UsuáriosINTERAÇÃO Mensagens INTERFACE “A troca de mensagens entre dois ou mais participantes” 5:3265
  66. 66. Interação Natural 5:3266
  67. 67. CLI – Command Line Códigos, estritos GUI – Grafical Metáforas, exploratória NUI – Natural Direta, intuitiva RV RA 5:3267
  68. 68. Começo  1963  Ivan Sutherland  51 ANOS Sutherland 5:3268
  69. 69. 5:3269 https://www.youtube.com/watch?v= USyoT_Ha_bA https://www.youtube.com/watch?v= BKM3CmRqK2o
  70. 70. Kirner’s Diagram Source: (KIRNER et al., 2012) Cave M$ GRU OASIS CLIMB LEGO Robots SL Scope basAR 5:3270
  71. 71.  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 5:3271
  72. 72. 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) 5:3272
  73. 73. 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) 5:3273
  74. 74. Billinghurst Vision Introdução 24/07/201474 fb.com/RVA.BR Billinghurst – Popularizador da Realidade Aumentada
  75. 75. 5:3275
  76. 76. Christopher Vision Informação virtual Interação Natural dispositivos tecnológicos5:3276
  77. 77. 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 Introdução 5:3277
  78. 78. HIT - ROADMAP CR AI HI AR IoT HR KMatsuda 5:3278 Kmatsuda: https://www.youtube.com/channel/UCJn3V1947go9Xq9DhdVL1hQ
  79. 79. 79 GLASS 5:32 GLASS - https://www.youtube.com /watch?v=4EvNxWhskf8
  80. 80. 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
  81. 81. NUI Tangíveis Móveis Especializados Institutos inFORM Sand STable Synth MYO META Kinect 5:3281
  82. 82.  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 5:3282
  83. 83. Exemplo de Interação  Trabalho de Mestrado  Apresentação: Christopher PG 5:3283
  84. 84. Introdução 24/07/201484 fb.com/RVA.BR
  85. 85. ERA TROGLODITA  Graduação (2010):  ARToolKit  PTAMM  Bolsista DTI (2011):  basAR  Conectar com ARDUINO em C++ Literatura indica FIRMATA: http://firmata.org/wiki/Download 24/07/201485 fb.com/RVA.BR
  86. 86. ERA TROGLODITA (C++)  Graduação (2010):  ARToolKit  PTAMM  Bolsista DTI (2011):  basAR ERA DO FOGO (C++/oF)  Mestrado (2012):  Doutorado (2014): 24/07/201486
  87. 87. 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) ? 5:3287
  88. 88. Objetivos  Propor uma interface-usuário utilizando Realidade Virtual e manipulação 3D.  Avaliar seu potencial.  Indicar uma tecnologia viável. Metáforas Usabilidade 5:3288
  89. 89. CBERS IHM Simuladores • 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 Interação Revisão Técnicas: • Informação Contextualizada • Visualização de dados • Views • Modelos 3D 5:32
  90. 90. Views (Múltiplas Visões e Mapas) 90 5:32
  91. 91. Modelos 3D do satélite CBERS3 91 Arquivos .STL Fornecidos pelo Lincoln Azevedo 1 2 3 4 5:32
  92. 92. RDT (Reconfigurable Disk Trees) 5:3292
  93. 93. Painéis - ofxUI 5:3293
  94. 94. 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 5:3294
  95. 95.  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 5:3295 https://www.youtube.com/watch?v= 6u6IDorMKAs
  96. 96. C++ Portável!!!! 96 5:32
  97. 97. Estudo do Hardware-in-the-Loop  Trabalho de Mestrado  Apresentação: Italo Pinto Rodrigues PG 5:3297
  98. 98. Finalizando... 5:3298
  99. 99. Finalizando Mudança de paradigma Frameworks Interações Multidisciplinar Muuuuuuito mais (mas muito mesmo) está por vir. 5:3299
  100. 100. PGModelsModelsInfrastructureInteraction 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 Pesquisasemandamento Drª. Ana Maria Ambrosio 5:32 10 0
  101. 101. Futurologia FUTURO!?!? 5:32 10 1
  102. 102. 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 10 2
  103. 103. 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 10 3

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