第67回宇宙科学技術連合講演会 『ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運用におけるインターフェース調整コストの低減』
https://meltingrabbit.com/blog/article/2023101801/ https://blog.arkedge.space/entry/2023/11/13/113000
株式会社アークエッジスペースhttps://arkedgespace.com/○鈴本 遼，⼩林 秀和，秋間 敏史，岩佐 由喜，坂本 優太，藤田 朱門，杉本 健太朗，藤田 一槻，柳田 幹太（株式会社アークエッジ・スペース）ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運用におけるインターフェース調整コストの低減[email protected]
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序論
アークエッジ・スペース (AE) での多種類・複数機生産アークエッジ・スペース (AE) では，多種類・複数機生産の実現を目指しており，様々な種類の衛星を複数機量産することを目指している．• 自社の衛星コンステレーションによるサービス提供• 通信 (IoT，VDES) 衛星，リモセン衛星（多波⻑など）など• より大型の衛星での事業化に向けた軌道上 PoC への利⽤• 打上機会の豊富さ，比較的規模の⼩さいコスト・スケジュールで開発が可能といった CubeSat 衛星の強みを生かし，早期の軌道上実証が可能• ホステッドペイロードサービスによる，様々なペイロードを搭載した衛星開発• ユーザーの衛星搭載機器の機能実証，またそれを利⽤した事業実証の機会を適正な価格・納期で実現• 深宇宙探査機などの特殊な衛星開発• 彗星探査衛星 (Comet Interceptor) や月インフラのための衛星など2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 3
多種類・複数機生産における SW 的観点での課題• ミッション部と衛星バス部との煩雑なインターフェース (IF) 調整• 通信プロトコル調整• テレメトリ・コマンド（テレコマ）仕様調整• ミッション部と整合するバス側の SW 開発（ドライバ，アプリケーションなど）• かみ合わせ試験時の不具合対応• etc...• 衛星製造パートナー企業との様々な IF 調整• 運⽤時を想定した IF 調整ソフトウェア技術や，OSS 化などの Open 化，標準化による各種調整コストの低減を目指す2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 4
アークエッジ・スペースの SW 開発とOSS 化・標準化戦略について
アークエッジ・スペースの SW 開発チーム• 地球周回衛星∕深宇宙探査機 といった衛星種類や，アプリケーションによらず，SW っぽいものをまるっと全部担うチーム• 担当しているものは，概ね次の通り• 人工衛星搭載 SW (Flight SW; FSW)• Field Programmable Gate Array (FPGA)• 搭載コンピューターボード (On-Board Computer; OBC)• 各種シミュレータ• 衛星の運⽤を支援する地上 SW• 衛星の開発・量産を⽀援する SW• 衛星データ解析 SW• 社内情報システム参考：『宇宙業界にソフトウェアの力で挑むチームができてから1年が経ちました』https://blog.arkedge.space/entry/2022/12/07/1130002023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 6
SW 開発チームのポリシー（⾏動原理）1. 意思決定において，開発体験のよさについて妥協しないべきである• 良い開発体験が，生産性と品質を向上させる2. 開発するすべての SW は，update 可能であるべきである• “すべて” （地上も FSW も sub OBC も）3. 開発するすべての SW は，検証可能な状態を保ち，自動で検証されるべきである• CI / CD の積極的な整備4. 開発機数に対してコストが劣線形になるように SW を開発するべきである• スケールメリットが出る SW に価値がある5. ハードウェア (HW) や人間が絡むコストの高い仕組みや作業を発⾒し，SW に落とし込むことで効率を向上させていく活動を，全社横断的に実施していくべきである• 真の意味での DX6. 生産性と企業価値を高めるために，Rust を採⽤していくべきである• ミッションクリティカルな部分や，プロトコルスタックは システムプログラミング言語である Rust で．地上も宇宙も同じ言語で．参考： 『大公開：ArkEdge Space のソフトウェアチームのポリシーと実現したい夢』https://blog.arkedge.space/entry/2023/01/24/1130002023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 7
SW 開発チームの短期的なゴール• 不自由さの解消など，生産性と企業価値が高い状態に移⾏する（cf. ポリシーの達成状態）• アプリケーションからベアメタルまですべて Open な OBC の開発• アプリケーション SW，Kernel (C2A)，HAL (Hardware Abstraction Layer)，ブートローダー，FPGA ロジック，インターフェース基板 (MIF)，OBC そのものなどを開発• 衛星をどんどん SW 化（SW defined へ）• 複雑な衛星システムをブラックボックスなしで開発• 異なる種類の⼈⼯衛星 / 探査機を同時に開発・運⽤できる能力を獲得する• 衛星固有 SW を 1 ⼈で面倒を⾒切れる規模にする• 労働集約型にならない衛星製造システム・運⽤システムを開発する• ビジネス可能な⼈⼯衛星を開発する• SW 思考と事業開発 PoC の相性はよく，またエンドユーザーとのインターフェース (IF) はSW である• エンドユーザー価値向上のための PoC の結果を衛星設計やシステム設計にフィードバックする• AE が SW の強い宇宙スタートアップという対外的なイメージ・評価が醸成され，それに⾒合うチームである2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 8
アークエッジ・スペースにおける Rust（⼀例）• 高信頼性が求められる箇所で，モダンなシステムプログラミング言語である Rust を採⽤• 先進的な Rust エコシステムにより，“開発体験の良さ” も強く意識した開発が可能に• 詳細：SSC2023 の AE 発表 “SSC23-P5-24”“Satellite Software Development Framework With Rust ThatImproves Developer Enablement”• 例：プロプライエタリな IDE なしでの FSW 開発• MPLAB も HEW も CubeIDE も不要• Open で⾃由度の高く，CI などの⾃動化もし易い開発環境が，（ベンダーの思想ややる気とは無縁に）構築可能• VS Code のみで SILS 実⾏も，実機書き込み &実⾏も，1 コマンドで可能に．これまで IDE で⾏っていた設定もコードで可能．• FSW 以外にも，AE の地上局 SW や製造支援システム（後述）はどれも Rust が⽤いられており，衛星側も地上側も同じ言語で開発することが可能となっている2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 9マイコンの各種設定 as CodeSILS / 実機動作手順
Open 化 (OSS 化) 戦略と考え⽅ (OBC，FSW)c2a-core (app) として一部 Openc2a-core (system) として OSSc2a-hal として Open へ準備中将来的に RISC-V などの採⽤で Open に多種衛星に対応するための FPGA ベース基板Space Cubics 社などと協力し開発へ (Open に)2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 10c2a-sils-runtime として OSSGaia (地上局 SW) や周辺ツールもすでに OSSミッション機器との IF 調整にも利⽤c2a-devtools として OSS“標準化”，”開発体験” において重要ミッション機器との IF 調整にも利⽤S2E を利⽤ (東大 ISSL により OSS 化)インターフェース基板 (MIF)OBC (HW)命令セットHAL / Boot loaderOS / Kernelアプリケーション SW 検証環境開発ツールシミュレータインターフェース調整に役⽴ち，かつ⾮競争領域を OSS に！https://github.com/arkedge/c2a-corehttps://github.com/arkedge/c2a-corehttps://github.com/arkedge/c2a-devtoolshttps://github.com/arkedge/c2a-core/tree/develop/sils-runtimehttps://github.com/arkedge/gaia
Open 化 (OSS 化) 戦略と考え⽅ (衛星製造・運用)Gaia (地上局 SW) の中核システムや様々なコンポーネント・仕様は，自社以外も含めた FSW開発や衛星製造・運⽤のために OSS 化．とりわけ地上システムの仕様は様々な周辺ツールに波及するため，Open 化（仕様が明解であること）が極めて重要2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 11Gaia (地上局関連の様々なマイクロサービス)地上局設備 衛星運⽤システム マネジメントシステム衛星製造支援システム c2a-devtoolsc2a-sils-runtime衛星運⽤衛星製造ツールキット．衛星量産のパートナー企業の工場にも導入することで，そこでの作業が AE で管理可能に．FSW 開発衛星製造
プロトコル標準化• プロトコル標準化により，各機器に対して c2a-devtools や Gaia，衛星製造支援システムなどの “AE 標準ツールセット” が利⽤可能になる．このツールセットは，“開発体験の良さ” が強く考慮されている (不⾃由さの排除 / 環境構築の容易さ / メンテナンス性のよさ)• 標準化により，P2P 通信が可能となり，たとえばミッション機器を実証したい顧客は，中継機器（MOBCなど）を意識せずに，直接ミッション機器とのテレコマ操作が可能• OSS なため，各種ツールを提供しながら，衛星開発・標準化を進めることができる• AE と取引のある複数の顧客・機器メーカーがこの標準化に賛同してくださっている2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 12https://github.com/arkedge/c2a-core/blob/develop/docs/component_driver/communication_with_components.md
調整コスト低減の例
例１）プロトコル，バス側 FSW の Open 化によるコスト低減• 以下が OSS として，仕様に加えてその実装方法も公開されいてる• 標準プロトコルスタック• バス機器側のドライバ• バス機器側の HAL（一部）• ミッション機器開発者• 接続先機器の動作を把握• プロトコルスタックの実装の直接確認• アークエッジ・スペース• ミッション機器開発者とのミスコミュニケーションの防止2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 14https://github.com/arkedge/c2a-core/blob/develop/docs/component_driver/communication_with_components.mdhttps://github.com/arkedge/c2a-core/blob/develop/library/crc.h公開されているドキュメントやコード ↗
例２）TlmCmd DB によるテレメ・コマンド定義の調整• ミッション機器やバス機器のテレコマ定義を，AE 標準の machine readable な形式でやり取りする• AE 側の様々なソースコードや，コンフィグレーションファイルが⾃動生成される（＝コストの大幅削減）• かみ合わせ時の不具合が低減• 機器側の仕様変更・アップデートを受け入れることが容易（低コスト）に2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 15https://github.com/arkedge/c2a-tlmcmddbGUI での TlmCmd DBjson 形式での TlmCmd DB実際に，あるミッション機器では，ミッション機器のシステム合流後でも，ミッション機器開発者のテレメトリ・コマンドのアップデート要求に応えることができた
例３）標準化における運用柔軟性の向上• プロトコルの標準化によって，各機器（衛星機器，地上機器）はネットワーク通信可能となる• ミッション機器と直接つながる機器（e.g. Main OBC）のみならず，たとえば AOCS OBC（下図の Sub OBC に相当）とも MOBC を介して通信可能となる• さらに，地上局ともネットワーク通信可能なため，ミッション機器のデバッグコマンド・テレメトリ等も，AE バス側と（ほぼ）追加調整なく利⽤可能となる．2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 16実際に，ある機器の実証ミッションでは，デバッグテレメトリをダウンリンクする予定
例４）標準化によるシステム合流コストの削減• 標準プロトコルでは，各機器はネットワーク通信可能となる．• 通信経路に依存しない通信が可能となる．• また，標準プロトコルに関連する様々なツールがOSS として公開されている• ミッション機器開発者側での単体試験時と，AEでのかみ合わせ試験時や運⽤時の機器とのテレコマ通信は（通信形態も，プロトコルスタック上の実装も）同等となる• 機器開発者も AE での試験時と同等のツールを⽤いて試験可能であり，システム合流時の不具合発生を抑制できる2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 17試験・運⽤コンフィグレーションhttps://github.com/arkedge/c2a-devtoolsOSS 化された開発ツール実際に，あるミッション機器では，事前に OSS 化された開発ツールにて単体試験をしたため，システム合流時における SWに起因する不具合は発生しなかった
例５）製造パートナー企業との調整コストの削減• 衛星の量産を目指すアークエッジ・スペースは，ともに衛星量産を⾏うパートナー企業との衛星製造時における量産・試験のコスト削減も目指している• AE は独⾃に衛星生産技術を開発しており，衛星製造支援システムを衛星製造ツールキットとしてパートナー企業に提供する• このツールキットはクラウド上に展開され，パートナー企業の製造現場と AE のシステムが統合される• パートナー企業と AE の強みを生かした win – win の量産体制が構築できる• エンジニアが製造現場に常駐せずとも不具合等に対応でき，また，パートナー企業に利⽤してもらうツールキット⾃⾝のアップデートも容易となる• ツールキットを通じて試験手順や試験設定，試験記録をやり取りすることで，統一的な情報のやり取りが可能となる• パートナー企業と AE との様々なインターフェース調整が不要になっている2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 18
まとめ
まとめ• 様々な種類の衛星を複数機量産することを目指しているアークエッジ・スペースでは，衛星開発・製造・運⽤など，様々なところでのインターフェース調整コストが課題となっている• ソフトウェア技術や，OSS 化などの Open 化，標準化によって，各種調整コストの低減を目指している• すでに以下のものが OSS や公開仕様として公開されている• FSW の Kernel, App, HAL (一部) のソースコード• 衛星機器同士，地上局との通信プロトコルと，そのプロトコルスタックの実装• FSW 開発環境やツール• 地上局 SW• これらの結果，今回例⽰したような様々なメリットが既に生まれている• これらの標準化を今後も積極的に進めていきたい2023/10/18 宇科連2023 ソフトウェア技術による衛星開発・製造・運⽤におけるインターフェース調整コストの低減 20
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