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Embedded-Prozessortechnik in Satelliten

Die Cloud im Weltall

Cloud Weltall
© Weka Fachmedien | AMD

Unibap verwendet AMDs Ryzen-Embedded-V1000-Prozessoren in Satelliten: in der Edge-Computing-Anwendung namens SpaceCloud. Sie analysiert Bilddaten der Erde mittels künstlicher Intelligenz. Ein perfekter Härtetest für Vision-basierte Anwendungen – auch auf der Erde.

Obwohl sich geostationäre Satelliten rund 36.000 Kilometer entfernt im Weltall befinden, sind sie aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken: Fernsehen, Navigation, Kommunikation oder Wettervorhersagen sind auf Satelliten angewiesen. Weitere wichtige zivile Anwendungen sind Forschung sowie sicherheitskritische Aufgaben wie das Überwachen des Verkehrs. Hierfür erfassen die Sensoren der Satelliten große Bilddatenmengen und senden sie zur Erde, wo sie empfangen und der Aufgabe entsprechend ausgewertet werden.

Beim Überwachen des Schiffverkehrs funktioniert das Vorgehen weitgehend problemlos, da die Reaktionszeiten hinreichend lang sind – es kommt nicht auf Sekunden an. Ist das Auswerten der Daten allerding nahezu in Echtzeit nötig, um etwa im Flug- oder Straßenverkehr reagieren zu können, stößt man sehr schnell an die Grenze des Machbaren. Das Übertragen aller Bruttodaten aus dem All dauert derzeit noch viel zu lang.

Edge Computing im Weltall

Der Grund für die langen Übertragungszeiten liegt in der Datenquelle: Im Weltraum gewonnene Farbbilder haben häufig eine Auflösung von 25 bis 130 Megapixel im Videomodus. Ein einziges unkomprimiertes Bild erzeugt hierbei ohne Weiteres 75 MB an Daten. Bei 30 Bildern pro Sekunde würde demnach eine Bandbreite von 18 Gbit/s zum Übertragen benötigt.

Die Bandbreite einer Verbindung zu einem Nanosatelliten, der sich zwischen 400 und 600 Kilometer entfernt im Orbit befindet, kann zwar bis zu 1 Gbit/s erreichen, liegt normalerweise jedoch bei lediglich rund 50 Mbit/s. Somit übersteigt der Bedarf die Performance um ein Vielfaches. Größere Satelliten können täglich mehrere Terabyte an Daten erzeugen. Somit ist die Satellitenkommunikation mit den Bodenstationen, die überall auf der Welt verteilt sind, zu priorisieren – das ruft zusätzliche Latenzen in der Datenkette hervor.

Unibap hat einen Ausweg aus dem Dilemma gesucht und gefunden: Sie haben eine Space-Cloud direkt im Satelliten implementiert. Sie entscheidet auf Basis künstlicher Intelligenz (KI) direkt vor Ort, welche Daten relevant sind. Anstelle von riesigen Rohdaten-Streams werden somit lediglich die nötigen Daten an die Bodenstation übertragen – beispielsweise Analyseergebnisse und Stellbefehle.

Relevante Anbieter

ION Satellite Carrier
Bild 1. Der ION Satellite Carrier nutzt die Unibap SpaceCloud mit AMD-Technik.
© D-Orbit Srl

Die eingebettete Intelligenz der SpaceCloud

»Unibap liefert mit der SpaceCloud eine flexible Infrastruktur für künstliche Intelligenz im Weltraum«, erklärt Dr. Fredrik Bruhn, ehemaliger Geschäftsführer von Unibap und derzeit Evangelist der digitalen Transformation. »Die Plattform integriert Cloud-Dienste, intelligente Datenverarbeitung, Sensormanagement, Datenspeicherung und Datenanalysen sowie das bedarfsgerechte Verteilen relevanter Informationen«.

Kunden des schwedischen Unternehmens erhalten sowohl fertige Anwendungen als auch Entwicklungskits mit applikationsspezifisch optimierten Entwicklungsumgebungen. Unibap und seine Software-Partner haben eine Reihe von Beispiel-Apps entwickelt, die demonstrieren, wie Cloud-Technik im Weltraum nutzbar ist. Zum Beispiel für Bild- und Videokomprimierung, Analyse wissenschaftlicher Daten sowie dem Erkennen von Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen mittels Machine Learning. Sie können beispielsweise Fahrzeuge, Schiffe oder Flugzeuge mittels maschinellen Lernens erkennen. Hierfür nutzt die Entwicklungsumgebung bereits analysierte Satellitenbilder. Grundsätzlich ist das komplette System jedoch ebenso für Deep-Learning-Anwendungen auf der Erde geeignet und wird von Unibap ebenso für das Entwickeln kundenspezifischer Applikationen bereitgestellt. SpaceCloud absolvierte seinen Jungfernflug im Rahmen der ION-Wild-Ride-Mission von D-Orbit am 30. Juni 2021.

ION Satellite-Carrier ION SCV-003
Bild 2. D-Orbit's ION Satellite-Carrier ION SCV-003.
© D-Orbit Srl, AMD

Strahlungsresistenter AMD-Prozessor

Besonders an der Anwendung ist, dass sie auf Standardkomponenten wie der Ryzen-Embedded-Prozessortechnik von AMD aufbaut. Sie sind ebenso auf der Erde in vielen Embedded-Systemen eingesetzt. Um sich für den Einsatz im Orbit zu qualifizieren, musste sie vorab beweisen, dass sie unter sehr rauen Umgebungen funktioniert und möglichst wenig Energie benötigt – verfügbare Energie ist in der Raumfahrt sehr begrenzt. Weil das System aufgrund von Beschleunigung und Vibrationen, Druck- und Hitzeschwankungen sowie kosmischer Strahlung sehr belastet ist, wurden in der Vergangenheit ausschließlich speziell für die Raumfahrt entwickelte Komponenten verwendet.

Die Entwickler aus Schweden führten zusammen mit ihrem Partner in den USA Versuche mit Standardprozessoren unterschiedlicher Hersteller durch. Wie sich zeigte, ist die Technik von AMD resistent gegen kosmische Strahlung. Anders als Sonnenlicht, ist die kosmische Strahlung keine elektromagnetische Strahlung, sondern ein Teilchenstrom. Er besteht vorwiegend aus Protonen, Elektronen und ionisierten Atomen, was die meisten Prozessoren massiv beeinträchtigt. Zudem erzeugt er sogenannte Single Event Effekte (SEE), die entstehen, wenn hochenergetische Teilchen auf Halbleiterbauelemente treffen. Das kann zu Datenverlusten und sogar zu zerstörten Transistoren aufgrund von Single Event Latch-ups (SEL) führen.

Gerade bei Luft- und Raumfahrtanwendungen hat Datenintegrität jedoch höchste Priorität. Um sie sicher und zuverlässig auszulegen, muss folglich jede einzelne Berechnung und jede autonome Entscheidung fehlerfrei sein. Aus dem Grund ist es sehr wichtig, dass beispielweise im RAM gespeicherte Daten vor Fehlern geschützt sind und dass die Berechnungen in der CPU und GPU strikt dem Code folgen. Hierfür besitzen die SoCs von AMD zusätzlich zuverlässige Fehlerkorrekturspeicher. Ein wichtiges Feature, um Datenfehler im Speicher zu korrigieren, die unter anderem von teilchenstromverursachten SEE ausgelöst werden können.


  1. Die Cloud im Weltall
  2. Potential nutzbar machen

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AMD Advanced Micro Devices GmbH