A verification platform for improving the design and test of star trackers

Abstract

Não é uma tarefa trivial o processo de desenvolvimento de um sensor de estrelas, desde a fase conceitual até a sua implementação final, passando simultaneamente pela etapa de certificação do sistema. O desafio é ainda maior quando, por razões de flexibilidade, sejam escolhidos para implementação sistemas de processamento do tipo Sistema-em-um-Chip (SoC ? System-on-Chip) combinando componentes de software e hardware configurável. Este trabalho propõe a utilização de imagens de estrela sintéticas (um céu simulado), unido à estrutura padronizada da Metodologia de Verificação Universal (UVM ? Universal Verification Methodology) como base de uma abordagem de desenvolvimento. O objetivo é organizar e acelerar o projeto, melhorar a qualidade do sistema quanto à produção de resultados corretos e oferecer métricas para a comparação de diferentes algoritmos utilizados em sensores de estrelas. O retrabalho potencial futuro é reduzido através de duas formas: nesta tese foi desenvolvido um simulador e plataforma de desenvolvimento que são distribuídos sob licença de software livre; e a estrutura da UVM estimula a reutilização de código através da adoção de uma abordagem orientada a objetos. Está sendo proposta uma estrutura do tipo caixa preta para a plataforma de verificação com interfaces padronizadas, e exemplos foram apresentados sobre como essa abordagem pode ser aplicada ao desenvolvimento de um sensor de estrelas para pequenos satélites, tendo como alvo o desenvolvimento em SoC. As mesmas bancadas de testes (test benches) foram aplicadas a ambas as implementações conceituais iniciais (em software apenas) como a posteriores implementações de sistemas híbridos (em software e hardware), em uma configuração Hardware no Laço (HIL - Hardware-In-the-Loop). Essa estratégia de reaproveitamento de bancadas de testes também se mostrou interessante ao revelar a capacidade de regressão nos testes realizados através da plataforma desenvolvida. Ainda, o simulador foi utilizado para injetar ruído específico, para que o sistema pudesse ser avaliado em algumas condições ambientais de mundo real.

Abstract: Proceeding from the conceptual phases of the development of a star tracker, until a complete working system is produced, while simultaneously ensuring the correctness of the approach, is not a trivial task. The challenge can be increased when, for flexibility reasons, the processing system is implemented through a System-on-Chip (SoC) combining pieces of software and configurable hardware. This work proposes the use of synthetic star images (a simulated sky), allied with the standardised structure of the Universal Verification Methodology (UVM) as the base of a design approach. The aim is to organise the project, speed up the development time, improve the correctness of the system, and provides metrics for the comparison of different algorithms. Future rework is reduced through two methods: we developed a simulator and verification platform that are shared under a free software licence; and the layout of UVM enforces reusability of code through an object-oriented approach. We propose a black-box structure for the verification platform with standard interfaces, and provide examples showing how this approach can be applied to the development of a star tracker for small satellites, targeting a SoC design. The same test benches were applied to both early conceptual software-only implementations, and later optimised software-hardware hybrid systems, in a hardware-in-the-loop configuration. This test bench reuse strategy was interesting also to show the regression test capability of the developed platform. Furthermore, the simulator was used to inject specific noise, in order to evaluate the system under some real-world conditions.