Spatial par dept V5 - LAAS · Configuration, Accounting, Performance, Security) Carrier Ethernet &...

LAAS-CNRS/ Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes du CNRS 1

LAAS-CNRS

~ 750 personneschercheurs, Enseignants‐chercheurs, doctorants, post‐doc, ingénieurs, administratifs

26 équipes de recherche

8 départements scientifiques :Informatique Critique (IC)Réseaux et Communications (RC)Robotique (ROB)Décision et Optimisation (DO)Gestion de l’Energie (GE)Micro et Nano‐BioTechnologies (MNBT)RF et optique, de l’EM aux systèmes (HOPES) Nano‐Ingénierie et Intégration (NII)

Salle blanche : 1500 m2

Plateforme de caractérisation


LAAS-CNRS

4 axes stratégiques

ADREAM Architectures dynamiques reconfigurables pour systèmes embarqués autonomes mobiles

ALIVE Analyse des Interactions avec le Vivant et l’Environnement

SYNERGIE Systèmes pour une gestion intelligente de l'énergie

ESPACE Composants et architectures innovantes pour des systèmes spatiaux performants et fiables

Responsable : Olivier Llopis R. adjoint : Christophe [email protected] [email protected]


Axe Espace du LAAS-CNRS

Objectifs : Animation scientifique sur ce thème au LAAS

Affichage / promotion des projets existantsDéclenchement de projets d’envergure et, si possible, transversesRelations avec l’enseignement – participation au CSUTConférenciers, workshops…

Exemples de domaines concernés :Télécommunications Spatiales : matériel, logicielFiabilité : composant, système, logicielNanosatellitesRobotique spatialeCalcul embarquéTrajectoire, diagnostic, commande


Thèmes de rechercheElectronique de puissance dans les systèmes embarqués

Fiabilité : CEM, ESD et rayonnement

• Convertisseurs de puissance pour les charges utiles des satellites

• Fiabilité des composants de puissance – MOSFETs Si et HEMTs GaN – face aux rayonnements

• Fiabilité des systèmes vis-à-vis des CEM et ESD

• Électronique embarquée pour les charges utiles de nanosatellites

Département GE


Thèmes de recherche

• Intégration photonique, nouveaux composants optiques• Systèmes optiques-hyperfréquences spatiaux• Instrumentation intégrée pour le spatial• Fiabilité de composants & circuits (stress RF, irradiation…)• Récupération d’énergie RF & MW à bord de satellites• Capteurs passifs pour applications spatiales• Antennes actives et antennes miniaturisées pour le spatial

Département HOPES


Projets Photonique pour le spatial> Des matériaux aux systèmes embarqués

Intégration systèmeRuptures technologiques issues de la nanophotonique

Diode laser en cavité externe, El. Lett., 48, 1619, 2012

80µm12 mm

R&T CNES, thèse DGA, coll. LCAR

Projets en cours :*Diode laser en cavité simplifiée*Peignes de fréquence sur puces*Puces hybrides à atomes froids

Composants innovantsFiltres optiques nanophotoniques en technologie microélectronique

Filtres optiques ultra‐étroits

Opt. Lett. (39) 6038 (2014)

Projets en cours :*Filtres optiques à réseaux résonants*Filtres pixellisés

R&T CNES, coll. LCAR, Int. Fresnel, SODERN, REOSC

Nouveaux matériauxSemiconducteurs III‐V pour le photovoltaïque haute efficacité

Technologies grande surface (4’’)

Jonctions tunnel III‐V : fabrication et modélisationSem. Sci. Technol. 31(6), 06LT01,2016.

Proj. EMRP SolCell, Thèses CIFRE et MESRcoll. LNE, LPCNO, IM2NP, IES, CEA-LETI

Projets en cours, filière GaAs :*Alliages III‐(As‐(Bi, N, Sb))*Jonctions tunnel à fort courant pic

Epitaxie de matériaux GaAsBi(N)Nanoscale Res Lett (2014) 9: 123.

0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.50.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0 5.4 3.83 3.04 1.8

Normalize

d PL Intensity

Energy (eV)

1.162.34

GaAs‐related transition

Jonction tunnel GaAsaccord modélisation/mesuresMécanisme : transitions bande à bande

Alliages GaAs1‐xBixémettant dans l’IR (IPLpour différents x)

Département HOPES


Systèmes optiques-hyperfréquences spatiauxLiaisons optiques‐RF embarquées faible bruit Modélisation composants & système Techniques de métrologie embarquées Fiabilité

Projet en cours : charge utile du nanosatellite NIMPH

Fiabilité aux rayonnements de fibres dopées Er Métrologie du facteur de bruit d’un EDFA Formation des étudiants M1 et M2 aux technologies

optoélectroniques embarquées

Collab. & financement :

ISAE, CNES, Thales Alenia Space, Idex UT

Génération de fréquence micro‐onde par l’optiqueApplication aux oscillateurs locaux et aux horloges

Oscillateurs électro‐optiques et lasers à modes verrouillés Résonateurs optiques à très fort Q Sources en gamme millimétrique (30 GHz – 100 GHz) Modélisation / conception / métrologie

Projets en cours :

CNES dept T&F : OEO à base de résonateurs optiques FLEKSY (AEROSAT) : COEO 10 GHz robuste et verrouillable

sur une référence RF DIFOOL (ANR Astrid, TAS, TRT) : COEO 30 GHz intégrant

une division de fréquence faible bruit

Caractérisation par spectroscopie RF d’un résonateur optique à très fort Q

Nature, SR, 2016

Département HOPES


Instrumentation intégrée pour le spatialChaines d’instrumentation intégrées

durcies pour l’observation en environnement spatial

Chaînes d’instrumentation intégrées durcies pour analyse de

l’environnement spatial

Low Power CMOS Instrumentation Chain for Micro‐Channel Plates in Astrophysics, Sensors Journal, IEEE, Vol.11, Number 4, April 2011

Low noise CMOS analog front‐end circuit with an 8 bits 1 MS/s ADC for silicon sensors for space applications,Sensors Journal, IEEE, 2014, Vol.14, Issue: 5, 2014

Projets en cours:*Resp. de l’instrument IDEE, Mission TARANIS 2018*Appel d’offre CNES Mission THOR* AFE de l’instrument miniature CNES AMBRE NG

Mesure des éclairs et des événements lumineux transitoires (Transient Luminous Event, TLE)

Collaborations:* IRAP, CNES

Système de mesure de l’énergie d’une particule incidente

Chaînes d’instrumentation intégrées pour télécommunications spatiales

Predistorsion system implementation based on analog neural networks for linearizing high power amplifiers transfer characteristics, Int. J. on Smart Sensing and Intelligent Systems, VOL. 7, NO. 1, MARCH 2014

Procédé de configuration d'un circuit corrigé comprenant un circuit imparfait et un circuit de prédistorsion, patent pending CNES-DGA-CNRS-INPT2015

Amplitude du signal de sortie en fonction de l’entrée

Déphasage du signal de sortie en fonction de l’entrée

Collaborations:* CNES

Collaborations:* TAS, CNES

Fonctions principales en termes de performance et de sensibilité à l’environnement spatial d’un CAN de type

pipeline: comparator, switches and amplifier

Radiation Hardened Bootstrapped Switch in 0.18µm CMOS Process, 21st IEEE International Conference on Electronics Circuits and Systems, Dec. 7-10, 2014 Marseille, France

Radiation Hardened by Design Pipeline Analog‐to‐Digital Converter Blocks in CMOS 0.18µm TechnologyAmicsa 2016, June 2016, Goteborg, Sweden

Département HOPES


Récupération d’énergie & antennes miniatures

R&T CNES, coll JAXA

R&T CNES, coll. JAXA

From A. Takacs et al., IEEE Trans. MTT, April 2014

From A. Okba et al., Wireless Power Transfer Conference, March 2016

R2b

R3b

Projets en cours:Rectennas compactes à forte efficacité énergétique pour applications spatiales

Thème 1 : Récupération d’énergie RF & MW au bord de satellites pour application SHM

Thème 3 : Miniaturisation des antennes pour applications spatiales

Brevet WO 2008/125662 A1

Brevet WO 2008/142099 A1 Brevet WO 2009/034125 A1 Brevet WO 2013/139935 A1

Brevet FR1200413

24 GHz

D’après C. LECLERC et al., IEEE T‐MTT, June 2014

Financements passés et en cours (depuis 2011):

Thème 2 : Capteur passif pour applications spatialesR&T CNES en cours – Janvier 2016 ‐ Juin 2017Objectif : Valider les potentialités de l’interrogation radar de capteurs passifsExemple d’application : Qualification au sol des satellites (Pression et temperature)

Département HOPES


Thème de recherche : Simulation des effets de

déplacements dans le Silicium• Objectif : Faire le lien entre la structure de défaut

à l’échelle atomique et les conséquences au niveau électrique

Domaines d’application : Effets des irradiations sur les composants embarqués : capteurs d’image

Département NS2

Cascade de défauts générée par un pKA de 10 keV dans le silicium

obtenue par Dynamique Moléculaire

Défaut rémanent de type quadri‐lacune identifié après vieillissement de la cascade à l’aide de la méthodologie kinetic Activation relaxation

Technique

Simulation of Single Particle Displacement Damage in Silicon ‐ Part II: Generation and Long Time Relaxation of the Damage Structure, A. Jay, M. Raine, N. Richard, N. Mousseau, V. Goiffon, A. Hemeryck, P. Magnan, NSREC 2016, July 11‐15 2016, Portland, USA


Two differentcontexts

Two threads of research, targeted to autonomous operations• Basic functionalities (mostly context-dependant)

– Perception: environment modeling, localization– Motion generation and control

• Integration (context independent, system view)– Software and decisional architecture– Software Verification & Validation

Planetary robotics Orbital robotics

ROB departmentSpace robotics


The InFuse H2020 project (2016/2019)

“Data fusion for space robotics” Context: one of the 6 coordinated projects of the H2020 “Space

Robotics Cluster” Researches at LAAS focused on Planetary Exploration:

• Design of a generic data fusion architecture for rover localization• Develop localization techniques that exploit orbiter data• Management of the various environment models over time and within the various agents (rovers, orbiter, on earth): “A robotics oriented GIS”• Exploratory studies on the potential benefits brought by alternative sensors :

• Multi/hyper-spectral cameras• Multiple echoes Lidars• Polarimetric vision

ROB department


RC department

Scientific research activities of RC Department are on Communication networks, distributed computing and parallel computing

• The recent technological advances in the fields of communication networks (high bandwidth & low latency networks) and computer architectures (parallelism of multi-core processors and massive parallelism of computing accelerators) have led to the convergence of distributed computing and parallel computing

• New concepts have emerged like cloud computing, volunteer and Peer-to-Peer computingas well as new networks paradigms like Software Defined Networks (SDN)

• This phenomenon has fuelled many research activities with various applications in the aerospace domain that are presented in the sequel


RC department SARA research topics : Communication Networks

• Performance Analysis and Control• Goal: predict and control network performance

• Softwarization, virtualisation and cloudification of networks• Objectives : Designing Open, programmable, virtualized and data- centric networks for IXP,

satellite communication networks and IoT networks• Dynamic and autonomous adaptation of services

• Objective: Description, discovery, selection, deployment and composition of services

• CDA research topics : Distributed Computing• Simulation optimization• GPU parallel computing

Application domains : • Protocol optimisation and evaluation

• Network signalling for hybrid terrestrial and satellite networks

• Network virtualisation for flexible networks

• Simulation of the atmospheric reentries of space vehicles• Reassurance of the fallout, LOS respect


Service adaptation & Performances analysisManagement of hybrid

terrestrial & satellite networks

Different management technics for satellite & terrestrial networks.

How to unifiy FCAPS management ? (Fault, Configuration, Accounting, Performance, Security)

Carrier Ethernet & MPLS‐TP focus vs Satellite interfaces. Example of WebNMS.

Fiabilité

Collaborations : CNES R&T, Thales Alenia Space, Alsatis labs

Impact of http/2 evolution on Satellite networksDoes http/2 evolution involve changes in satcom architecture?

End‐2‐end encryption & caching http/2 streams performances vs http/1.1 (keep alive,

domain sharding, …) Impacts on tcp (long living TCP connexions) Push method potentialities ?

Collaborations : CNES R&T, Airbus DS, Silicom

Département RC

Impact of http/2 on satellite communications

RC department


Softwarization, virtualisation and cloudification of networksNetwork Hybridization :

Satellite network abstractionUsing SDN paradigm to facilitate the satellite

integration in terrestrial networks. Dedicated satellite interfaces are replaced with a

virtual switch using OpenFlow and Ofconfig VNO compliant

Collaborations : CNES R&T, Thales Alenia Space, Alsatis labs

Satellite Network Virtualization

Reducing OPEX : more flexibility, software operations Lowering CAPEX : generic hardware, cloud centralisation New satellite communication architecture with :

Software Defined Network (SDN) Network Function Virtualization (NFV)

Collaborations : CNES R&T, Thales Alenia Space, Viveris

Département RC

Satellite Network programmable switch abstraction for VNO

Virtual Hub design

RC department


Distributed & Parallel Computing : numerical simulation via GPU HPC and atmospheric re‐entry of spacecrafts

Using GPU computing accelerators and Intel Xeon Phi coprocessors to speedup numerical simulations

Aerothermodynamics computations via GPUs

Design for Demise Satisfaction of the LOS law (France) Clean Space program (ESA) Uncertainties on conditions and model Monte‐Carlo

simulations Integration of trajectories (Calima GPU)

Collaboration : R.Tech

Département RC

Fallout Points with Calima GPU

Heat Flow with Calima GPU


Thèmes de recherche• Résilience : conception, architecture, validation• Vérification formelle, systèmes temps-réels critiques,

ordonnançabilité

Domaines d’application• Conception des systèmes spatiaux complets (bord et sol)• Test d’éléments bords des systèmes spatiaux - nanosatellites• Systèmes autonomes sûrs de fonctionnement: moniteurs de sécurité (Safety)

et validation• Exécution sûre dans les systèmes multi/many cœurs à criticité mixte• Description formelle et vérification basées sur des langages d’architectures• Vérification comportementale de modèles AltaRica temps-réels et vérification

d’architecture FDIR• Vérification du logiciel de planification de télécommandes bord

Département IC


Resilience: design, architecture and validation> Improving the resilience of space systems

TestingHIL / SIL benchmark for payload or platform component testingCase study: Cubesat

APR TTIL2016, « CubeSatBench »,

System EngineeringDesign of space systems (on‐board and ground segment)

Analysis of several space projectsOn‐board payload or platform systemsGround segment systems

R&T CNES R-S13/BS-0004-018, « System optimization »2013 -2016

Designer interviewes

Département IC

Work Breakdown Structure

System Modelling

package Processus Entités générales {3/3}

Lois mécaniques spatiales

Lois expertes

Optimisation bilans satellites

Bilan énergie

Bilan thermique

Bilan ergols

Compromis bord / sol flux

<<actor>>RF

<<actor>>Commande/contrôle

<<actor>>Mécanique spatiale

<<actor>>Opération

Besoins

Grands choix système

Exigences mission

Volume des données

Débit bord

Débit bord / sol

Bilan RF

Objectifs mission

Missions

Fonction

Fonction service

Contrainte

Fonction complémentaire

Systéme

Sous Systeme

Système complet

Lois sur les orbites

Durée et périodicité visibilité station sol

Mise en maintien en poste

Insertion dans constellation

Interaction avec lanceur

Besoin scientifique

Zone observation

Cycle revisite

Orbites spécifiques

Contrainte plate forme

Lanceur

Contrainte instrument

Zone couverture RF

Compromis d orbite

Compromis mission / système

Contrainte de pilotage satellite

Contrainte particulière à la mission

Héritage technique infrastructure

Groupe mission

Utilisateur

Client

Cconcepteur

TAS

CNES

Astrium

Optimisation bilans système

Bilan système

activity Analyse de la mission Activity diagram1 {1/1}

: Analyser la mécanique spatiale()

Lois mécaniques spatiales

: Analyser l optimisation des bilans satellites(): Analyser compromis bord / sol flux()

Volume des données

Débit bord / sol

Débit bord

Contrainte de pilotage satellite

Héritage technique infrastructure

Contrainte particulière à la mission

Bilan RF

Bilan énergie

Bilan thermique

Bilan ergols

Compromis d orbite

: Analyser le compromis d orbite()

Compromis bord / sol flux Optimisation bilans satellites

: Analyser l optimisation des bilans systèmes()

Bilan système

package Diagrammes Class diagram Charge utile {2/6}

Charge utile

Instrument d acquisition des mesures

Calculateur traitement CU

Equipement de traitement des mesures Caméra

Equipement CU de communication avec le sol

Sondeur

InterférométreElectronique

1..*

1..*

1..*

1..*

0..*

0..*

Banc de simulation

Banc de validation

Calculateur CU gestion

Mémoire de masse

Calculateur CU

Compression image

Calculateur CU Instrument

Contrôleur thermique

Emetteur en bande X Antenne

3U Cubesat models

Design of the benchmark

Process optimizationGuidelines to improve design processesProject management dashboard

Product Breakdown Structure

Universal HIL/SIL emulation of all platform or payload components

New Zybo Digilent SoC technology to fit with hardware design requirementsColoured Petri nets to model expected behaviors


Research fields• Artificial Intelligence (system health diagnosis and fault detection,

Constraint Programming),• Automatic Control (optimal guidance and robust control),• Operational Research (Optimization, Scheduling and ressource

allocation).

Application fields• Active diagnosis for onboard and on-earth system,• Frequency allocation,• Image acquisition and data transfer scheduling,• Satellite validation tests scheduling,• Task scheduling for deep-space missions• Attitude control system• Orbit control and rendez-vous guidance• Collision risk assessment

Département DO


Guidance and control> Optimisation based MPC and Onboard implementation for spacecraft rendez-vous

Département DO

> In-flight results of adaptative attitude control law

Processor core is LEON 3 developed for flight space purposes Fault tolerant 32‐bit CPU: limited comput. power and storage. Optimisation based control algorithm entirely designed to cope with the CPU

board abilites‐ Stability proof of such control law in progress. Hardware‐in‐the‐loop demonstrator available

Objective: Prove the viability of onboard computation for predictive control.

Development of attitude controller thatautonomously adapt its parameter to targeted set point.

Formal stability proof of the closed‐loopsystem for the whole flight domain

On‐board validation et performances evaluation thanks to in‐flight experiment on Picard satellite (2014)

ANR FASTRelax, 1 phD thesis

CNES contract – 1 phD thesis


Collision prediction and avoidance – Active Diagnosis> Computing the probability of collision for space encounters and design of collision

avoidance strategy

Département DO

> Active diagnosis for On-board Control Procedures

18000 Space debris in Earth vicinity withuncertain geometry and orbital motion

Needs for risk assessment by computing the probability of collision

Analytical formula with error bounds usingLaplace transform and D‐finite functionstechniques

Methods validated by CNES

SPACEWire spacecraft communication network‐Healthcheck of the whole network.

Active diag by means of conditional plans on simplified discrete model

Isolation of the saturated elements in the network HyDiag software developped by LAAS

CNES R&T contracts – 1 phD thesis

FRAE, CNES contracts – 2 phD thesis


Optimal payload design and test for telecommunication satellites> Multibeam satellite system design, frequency allocation and beam layout optimization

Département DO

> Satellite test sequencing

Growing demand for multimedia applications and data exchange Optimization challenge for integrated optimization of scarce

resources (bandwith & reflecter allocaiton, beam layout, repeater allocation)

Complex graph coloring, continuous covering, path covering and multidimentional bin packing problems

Mixed integer and constraint programming techniques Significant gain compared to previous methods

Payload must go through a series of tests Configuration change of equipement units

from a test to the other must be minimized Packing and sequencing problem Constraint programming approach

ADS, TAS contracts – 2 phD thesis

ADS contract – 1 phD thesis


Scheduling for earth-observing satellites / deep space exploration> Scheduling acquisitions and transfers for earth observing satellites

Département DO

> Scheduling experiments of Philae on the Tchouri comet for the Rosetta ESA Mission

Multi‐user observation scheduling: tradeoff cost and fairness

Design of download plans for Earth observation satellites, when scheduling the transfer of the acquired data to ground stations

Selection problem of optical ground stations for LEO observation satellites

Complexity analysis of greedy algorithms, multiobjectivemetaheutisrics, mixed integer linear programming

The experiments performed by Philae were scheduled by an algorithm designedat LAAS

Hundreds of activities had to be scheduled under limited resource constraints Complex data transfer constraint between Philae and Rosetta Constraint programming approach

Theos Program, CNES/ADS, TAS contracts – 2 phD thesis

CNES contract – 1 postdoc


An infrastructure/know‐how to support micro‐ and nanotechnology‐related projects • Optics/Photonics • Micro/Nano‐electronics• Bioelectronics, Biosystems, Biophysics • Micro/Nano‐devices and Systems

The platform • 2500 m² with 1500m² clean room• 180‐200 regular users• 140 projects/year (half exogenous)• 1,2M€ operational budget average• 35 M€ equivalent new equipment

The micro and nanotechnologies platform

TEAM technical staff 35‐40 engineers, technicians Expertize, management, maintenance,

development ofInfrastructureEquipmentsProcesses

Technological processesDirect supportFormationManagementDissemination

Member of national and inter‐regional networks

Spatial par dept V5 - LAAS · Configuration, Accounting, Performance, Security) Carrier Ethernet &...

Documents

Transcript of Spatial par dept V5 - LAAS · Configuration, Accounting, Performance, Security) Carrier Ethernet &...