人工衛星開発のための C2A フレームワークとその開発体験

TOPPERS 開発者会議 2024のゲストトークで登壇した際のスライドです

Transcript

1. 株式会社アークエッジスペース https://arkedgespace.com/ 人工衛星開発のための C2A フレームワークとその開発体験 sksat 1
2. 自己紹介 ・sksat（えすけーさっと） ・ArkEdge Space Inc. コンピューティング基盤部　/　筑波大学情報学群情報科学類（休学中） ・宇宙オタク -> パソコンオタク -> 宇宙パソコン野郎 ・やってた: OS、x86エミュレータ、数値計算、小型ハイブリッドロケット、自宅サーバ ・やってる: C2A フレームワーク、シミュレーション基盤、CI/CD、姿勢制御系、社内システム、... ・気持ちがあるところ: 実在する複雑性の咀嚼と妥当な対処の案組み ・セキュリティ・キャンプ全国大会2024　開発コース　探査機自作ゼミ講師 ↖これ中指じゃないです 2

3. 超小型人工衛星 ・元々の人工衛星：長期の開発（5～10年）、高い打ち上げコスト →もっと小さく／安く／速く作りたい ・1U（10cm x 10cm x 10cm）を単位とした CubeSat という分野 ・コストを1/100以下に ・アークエッジ・スペースは 3U、6U などの人工衛星を開発 20cm 10cm 30cm ©NASA 30cm 3

4. アークエッジ・スペース ・東大中須賀・船瀬・五十里研究室での CubeSat 開発をベース ・超小型人工衛星の企画・設計～運用まで総合的なソリューション提供 ・IoT、リモートセンシング、月のインフラ構築、深宇宙探査などに幅広く対応 ・人工衛星の共通部分（バスシステム）の開発を重視 ADCS 
 ・MTQと粗センサによる姿 勢制御 
 電源
 ・バッテリー小型化 
 標準バスOBC 
 通信
 ・1周波数帯利用による 
 ダウンサイジング 
 標準6Uバス α
 低価格モデル
 ADCS 
 ・高性能スタートラッカ 
 ・精/粗2種類のセンサ 
 ・超高精度姿勢制御則 
 電源
 ・バッテリー容量強化 
 ・電源制御基板強化 
 ミッションIF 
 ・ミッション機器制御 
 専用基板の搭載 
 標準バスOBC 
 通信
 ・HKデータとミッションデータ で別周波数帯・データレート 
 標準6Uバス β
 高性能モデル
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5. アークエッジ・スペースにおける技術的な挑戦 ・複数種類／多数の人工衛星の同時開発という挑戦 ・人工衛星自体の開発コストを劣線形にしなければならない ・我々が作るもの △人工衛星 ◎人工衛星を作るための仕組み ↓ ・汎用的なバスシステム ・再利用性の高い HW／SW 設計 ・開発体験の向上 5

6. 分散システム的な人工衛星の設計 ・複数の OBC（On-Board-Computer）が協調動作 ・中心に MOBC（Main OBC）がいるスター型のトポロジ ・姿勢制御や熱制御などの責務ごとに OBC を分割されている ・専門ごとにチームを分割可能に ・各 OBC で動くソフトウェアは C2A というフレームワークを使用 ・単体での開発／試験のためのサポート ・HW は分割されていても同じ体験で開発 ・認知負荷の軽減 ・通信プロトコルも揃えられる 6

7. C2A ・衛星搭載ソフトウェア（FSW）のフレームワーク ・元々東大中須賀・船瀬・五十里研究室で開発 ・現在は AE がコア部分を開発・メンテナンス ・https://github.com/arkedge/c2a-core（OSS） ・MIT ライセンス ・特徴 ・小さな OS ・高い移植性 ・あらゆる動作を「コマンド」として扱う ・TlmCmdDB：「コマンド」と「テレメトリ」のスキーマ管理／コード生成 ・CCSDS SpacePacket 等の第一級サポート 7

8. C2A の移植性の高さ ・コア部分の実装は C89 ・必須な外部依存関数は memchr(), bsearch() のみ ・シンプルな実装も optional で提供 ・実用上は stdint.h（相当のもの）と printf() も欲しい ・シングルスレッド ・スケジューリングは手動 ・他に必要なもの：定期的な C2A_core_main() の実行 ・定期的に実行されさえすればよいので、雑には無限ループでよい ・ハードウェア依存部分は C2A HAL としてインターフェースを定義 ・様々なアーキテクチャ／スペックのマイコンにすぐ移植可能 8

9. ・C2A：Command Centric Architecture ・「リアクションホイールを回す」「MRAM を初期化する」のような「コマンド」がたくさんある ・役割／粒度としてはシステムコールやマイクロカーネルの IPC のようなもの ・できるだけ処理を細かく分割し、できるだけコマンドとして表現する、という思想 ・システムコールレベルの細かな処理を地上からも実行可能 ・コマンドの種類 ・リアルタイム（RT）：即時実行 ・タイムライン（TL）：時間を指定して実行 ・ブロック（BL）：コマンド群を１つのコマンドとして扱う BLC すべてが「コマンド」 9
 RTC TLC 時刻指定 時間
10. TlmCmd DB ・https://github.com/arkedge/c2a-tlmcmddb/ ・「コマンド」と「テレメトリ」のスキーマ定義 ・CSV／JSON からコード生成／定義読み込み ・各種設定や設計情報も JSON で記述 ・別の職能／部署／組織との界面をコード化 ・ex：MOBC と AOBC、衛星開発と地上局システム開発 ・調整が会議からコードレビューになる → ◎再現性　◎非同期コミュニケーション 10

11. 軌道上再構築能力 ・人工衛星は非修理系 →「打ち上げた後からでもどうとでもなる」とすごくうれしい ・タイムライン ・時系列上に細かい単位のコマンドを並べる ・実行時に事実上のプログラミングができる ・ブロックコマンドとその組み換え ・毎回すごく細かいプログラミングをするのは無駄 ・ある程度の処理の単位をブロックコマンドにまとめて抽象化 ・ブロックコマンドの追加や内部のコマンド列の修正（組み換え） 11

12. EL/EH：Event Logger / Event Handler ・非修理系なので、何かが起きて文鎮になると困る ・FDIR：Fault Detection, Isolation, and Recovery ・「何か」を事前にすべて想定するのは難しい ・イベントログ：EL ・色々な処理にイベントログを仕込んでおくことができる ・EL は普段は単にログとして使う ・イベントハンドラ：EH ・特定の EL の際に発火するイベントハンドラも書くことができる ・発火するのはブロックコマンド ・EH のルールやブロックコマンドを後から組み替える → 不測の自体にも対処可能 12

13. Rust の活用と 開発体験向上のためのツール開発 13
14. Rust ・システムプログラミング言語 ・LLVM ベース → 多くの ISA に対応 ・環境構築が rustup で一発 ・Cargo：優秀なパッケージマネージャ／ビルドシステム ・C言語との相互運用性◎ ・Satellite Software Development Framework With Rust That Improves Developer Enablement ・rustdoc によるドキュメント自動生成 ・強力な静的型検査 ・ex：マルチスレッドでのリソース競合をコンパイル時に防げる ・コンパイル時の安全性チェック ・ex：unsafe な領域の明示 14
 Image credit: Rust Foundation (CC-BY)
15. なぜ Rust を使うか？ ・Rust の開発体験が良いから ・環境構築がラク：crosstool-ng で GNU toolchain をビルド、とかしなくていい ・crates.io に豊富な資産がある ・組み込みから Web バックエンドまで同じ言語で開発できる ・コミュニティが活発（組み込み Rust 含め） ・Cargo が優秀（C/C++ にはマトモなパッケージマネージャが無い！！！） ・C2A との相互運用がしやすいから ・C言語との相互運用がしやすい ・C2A に Web 系の概念や資産を持ち込んでより便利にできる ・言語機能が優秀だから（よく言われるがちなこと） ・言語機能が豊富で表現力が高い：trait や generics、unsafe の明示などなど ・強力な静的型検査 15

16. Cargo を任意パッケージマネージャとして使う ・C/C++ はマトモなパッケージマネージャが無くてつらすぎる ・資産の再利用があまりにもやりにくい ・Cargo はパッケージマネージャとして非常に優秀 ・build.rs で自由にビルドロジック書き放題 ・0 byte の lib.rs を生やして C だけのライブラリもパッケージング ・c2a-core や C2A のアプリケーションを crate として管理 ・Git submodule から semver による管理に ・Rust への段階的な移行も容易になる ・あらゆるモノが git clone & cargo run できるようになる ・開発開始のコストを減らす／オンボーディングをシンプルに 16
 Cargo logo credit: Rust Foundation (CC-BY)
17. C2A（C言語）と Rust の相互運用 ・FFI のための型：std::ffi, core::ffi ・bindgen が超便利 ・Cのヘッダを読んでグルーコードを自動生成 ・doxygen-rs を使ってC言語側のコメントを rustdoc に持ち込む ・既存の概念（ハードウェア抽象化レイヤ）を trait などで抽象化 → FFI 部分を proc macro で自動実装 ・Web 系の概念／実装を持ち込む ex：C2A が WebSocket を喋れるように 自動生成 17

18. 組み込み Rust ・LLVM ベースなので多様な ISA に対応（ARM, RISC-V, …） ・core 標準ライブラリが便利 ・ex：core::fmt で書式文字列が使える（printf 実装不要） ・no_std 環境で動く crate（ライブラリ）も充実 ・強力な型システムも便利 ・ex：ピンアサインのミスをコンパイルエラーにできる ・unsafe な領域が明示できる（あることは問題ではない） ・開発環境：VSCode + probe-rs が最強 ・F5 で書き込んで普通に breakpoint 打てる ・設定も Git 管理できる（全員が同じ開発体験） ・defmt で簡単にログ出力（SWD 経由） 18

19. SILS：Software in the loop Simulation ・組み込み SW あるある：毎回実機に書き込んで試すのが面倒！！！ ・人工衛星搭載 SW あるある：実機に書き込んだところで宇宙環境の模擬ができない！！！ ・特に姿勢制御関係 ・実 SW（C2A）を x86 や AArch64 にクロスビルド + HW 依存部や宇宙環境を模擬 ・宇宙環境のシミュレータを接続することで宇宙環境特有の処理の検証も可能に ・AWS にデプロイして試験や運用訓練にも活用 C2A「人工衛星を制御するぞ......！」 センサの模擬 アクチュエータ の模擬 19

20. HW 接続の仮想化 ・kble：Virtual Harness Toolkit ・色々なストリームの接続（UART など）を WebSocket に引き出す ・物理的な接続より上のレイヤ（フレーミング後など）での接続も可能 ・FSW は仮想化（SILS）した上で一部機器だけ実機、のような接続も可能 衛星内の接続も模擬 通常（実機など） 20
 SILS（with kble）
21. C2A DevTools ・運用／試験時にやりたいこと != 開発時にやりたいこと ・開発時にはすぐ使えるシンプルなツールが欲しい ・テレメトリ／コマンド操作のみができる Web アプリ ・バックエンドや DSL は地上局システムと共通 ・WebSocket, TypeScript, React ・Zenn：リアルタイム通信用のコネクションをタブ間で共有してます 21

22. OSS 活動 ・https://github.com/arkedge/c2a-core：FSW フレームワーク ・https://github.com/arkedge/gaia：地上局システムのコア部分 ・試験システムや開発者向けツールもこれをベースにしている ・https://github.com/arkedge/kble：ハードウェア接続の仮想化ツール ・宇宙環境シミュレータも東大研究室から公開・開発協力：https://github.com/ut-issl/s2e-core/ ・各種フレームワーク／ツールの公開 → 業界の SW 力向上／共通言語化を目指す 22