Fault Injector to Verify and Validate Nanosatellites

Abstract

CubeSats are small satellites built with up to 12 units of the shape of a cube of 10cm edge and weight of 10kg maximum and represent an emergent trend in the space industry. These satellites use commercial off-the-shelf (COTS) components to reduce cost and take advantage of the superior performance/power consumption ratio of COTS, which is an order of magnitude better than the equivalent radiation hardened space-grade-components. Unfortunately, COTS components are susceptible to Single Event Upsets (SEU), which are transient errors caused by space radiation. SEU makes the study of the impact of faults caused by space radiation a mandatory step in the development of CubeSats software, in order to carefully evaluate weak points that must be strengthened through the use of specific software fault tolerance techniques. The fact that the impact of faults is strongly dependent on the software running on the COTS hardware indicates that the study of the impact of radiation faults must be carried out every time the CubeSat software has a major change, or even a minor update.This thesis presents CubeSatFI, a fault injection platform for CubeSats meant to facilitate the incorporation of this extra step in the Verification and Validation of CubeSats software. CubeSatFI allows the easy definition of fault injection campaigns that emulate the effects of space radiation. SEU are emulated realistically through bit-flip faults injected in the processor registers and in other locations of the CubeSat boards that can be reached by boundary-scan, which is available in CubeSat boards through JTAG Test Access Port. The execution of the fault injection campaigns is controlled by the CubeSatFI platform in a fully automated mode.The effectiveness of CubeSatFI is demonstrated with the EDC (Environment Data Collection), a payload system that will be used in a constellation of satellites from the Brazilian National Institute for Space Research (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - INPE), providing a realistic insight on the impact of faults in the EDC software.

CubeSats são pequenos satélites construídos com até 12 unidades na forma de um cubo de 10cm de borda e peso máximo de 10kg e representam uma tendência emergente na indústria espacial. Estes satélites são feitos com componentes comercial off-the-shelf (COTS) para reduzir custos e aproveitar a boa relação desempenho/consumo de energia superior dos COTS, que é bastante melhor do que a dos componentes equivalentes de grau espacial, que são concebidos para suportar radiação. Infelizmente, os componentes COTS são suscetíveis a Single Event Upsets (SEU), que são erros transitórios causados pela radiação espacial. Os SEU tornam o estudo do impacto de falhas causadas por radiação espacial uma etapa obrigatória nas fases de Verificação e Validação (V&V) do desenvolvimento de software para CubeSats, a fim de avaliar cuidadosamente os pontos fracos que devem ser reforçados através do uso de técnicas específicas de tolerância a falhas de software. O facto do impacto das falhas ser fortemente dependente do software executado no hardware COTS sugere que o estudo do impacto das falhas de radiação deve ser realizado sempre que o software do CubeSat sofrer uma grande alteração, ou até mesmo uma pequena atualização.Esta tese apresenta o CubeSatFI, uma plataforma de injeção de falhas para CubeSats destinada a facilitar a incorporação desta etapa extra no software de Verificação e Validação do CubeSats. CubeSatFI permite a fácil definição de campanhas de injeção de falhas que emulam os efeitos da radiação espacial. SEU são emulados de forma realista através de falhas de bit-flip injetadas nos registos do processador e noutros locais das placas CubeSat que podem ser alcançadas por boundary-scan, que está disponível nas placas CubeSat através da porta de acesso de teste JTAG. A execução das campanhas de injeção de falhas é controlada pela plataforma CubeSatFI de forma totalmente automatizada.A eficácia do CubeSatFI é demonstrada com o EDC (Environment Data Collection), uma payload board que será usado numa constelação de satélites do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais Brazileiro (INPE), fornecendo uma visão realista sobre o impacto de falhas no software EDC.