Documento do curso de inverno 2014

1. 5:321

2. Simuladores de Satélite
CURSO DE INVERNO 2014
Drª. Ana Maria
Ambrosio
Msc.
Christopher
Cerqueira
Rodrigo
Bassinello
Ramazotti
Italo Pinto
Rodrigues
5:322

3. Roteiro:
 Contexto – Motivação
 Conceitos
 Simuladores em Espaço – Casos INPE
 Modelagem
 Interação
 Pesquisas em Andamento
 Mini estágios
5:323

4. Contexto e Motivações
5:324

5. 5:325

6. Área de concentração: CSE
Linhas de pesquisa
Segmento Espacial
Segmento Solo
Concepção
Especificação
Arquitetura e
Gerenciamento
Garantia
de Missão e
de Produto
Verificação, Validação, Modelagem e Simulação 5:326

7. Coordenações, Laboratórios e
Centros do INPE atendidos pela
CSE
Engenharia e
Gerenciamento de
Sistemas Espaciais
(CSE)
Coordenações e
Laboratórios
ETE Engenharia e Tecnologia
Espaciais
LIT Laboratório de Integração e
Testes
CRC Centro de Rastreio e Controle
de Satélites
5:327

8. 1_motivação - STK
5:328
1_ https://www.youtube.com/watch?v=9rlDwR83Fd8

9. Conceitos
Modelagem, Identificação, Emulação e Simulação
5:329

10. Modelagem
5:3210

11. Identificação
5:3211

12. Emulação e Simulação
5:3212

13. Workflows
5:3213

14. Workflow - INPE
5:3214

15. Simulação no segmento espacial
5:3215

16. Segmentos de
uma Missão
Espacial
 Segmento Espacial
- satélites
 Segmento Solo
 Centro de Controle
 Centro de Missão
 Estações terrenas
 Segmento Usuário
 Segmento Lançador
5:3216

17. Usos no Ambiente espacial:
 Análise, definição e validação de requisitos
 Verificação e validação dos softwares.
 Desenvolvimento de equipamentos (EGSE) e de
procedimentos de teste.
 Apoio as atividades de teste
 Previsão de performance do sistema.
 Desenvolvimento e validação de procedimentos
operacionais.
 Avaliação de solução de problemas
 Treinamento de equipes
5:3217

18. Satélite
Plataforma
Carga-útil
Estações Terrenas
Centro de Controle
de Satélites
telecomando
telemetria
Elementos de uma missão
espacial
5:3218

19. Ciclo de desenvolvimento da
missão
pre-A A B C D E F
Análise
Projeto
preliminar
Projeto
detalhado
Produção
e testes
qualificação
Operação
Encerramento
ou
Descarte
Verificação e Validação
Simuladores
Fases
PRR
SRR
PDR CDR QR AR
ORR
LRR
CRR
ELR
Revisões
5:3219

20. Uso de simuladores no ciclo de
vida da missão
pre-A A B C D E F
Sim. Análise de Missão
Sw Análise Elétrica
Sw Análise Térmica
Sim Tempo Real
Simulador Operacional
Simulador Fim-a-Fim
Análise
Projeto
preliminar
Projeto
detalhado Produção Operação Encerramento
Simulador Carga-útil
Sw Análise Estrutural
5:3220

21. Classificação segundo a ECSS-E-
TM-10-21A
Tipo de Simulador Função
System Concept SCS System concept validation
Mission Performance (End-2-
End)
MPS Mission performance validation
(e.g. bugets)
Functional Engineering FES System performance validation
(req. consolidation, algo. valid.)
Functional Validation
Testbench
FVT Critical Item design validation
(SUT = Breadboard)
Software Verification Facility SVF Critical system software
validation (with of without HIL)
Spacecraft V&V (AIV Facility) SVV Incremental Spacecraft AIV
Ground Segment V&V GS Incremental low-level ground
segment V&V
Operations Op Validation of GS & Op. Process5:3221

22. Exemplos de simuladores
5:3222

23. Simulador de Análise de Missão
Objetivo:
i. analisar, verificar durante as fases iniciais da missão,
soluções para satisfazer a missão
ii. proporcionar facilidades para análise da órbita e trajetória do
satélite, análise de orçamento (potência necessária, variação
térmica), estrutura. 5:3223

24. Simulador fim-a-fim de missões
(Mission Performance Simulator)
Objetivo:
i. estudar conceitos e viabilidade da missão para
atender seu uso finalístico.
ii. Este tipo de simulador é capaz de reproduzir
todos os processos e passos significativos que
impactam a performance da missão e gerar
produtos de dados finais simulados. 5:3224

25. Simulador de Carga-útil
Objetivo:
i. analisar o comportamento, demonstrar performance,
habilidade, validar as operações de um determinado
instrumento científico ou tecnológico, antes de sua
construção ou sua operação em voo.
5:3225

26. Software para projeto e Análise
Térmica
Objetivo:
i. analisar a distribuição de temperatura e o fluxo de calor nos
subsistemas e equipamentos do satélite, através da
definição de cenários de piores-casos. SindaFluente, PCTer
(INPE)
5:3226

27. Software para projeto e Análise
Térmica
Modelo: diagrama mecânico do satélite representando o sistema
físico (modelo da rede térmica do satélite).
Para se obter a variação térmica leva-se em consideração: a
dinâmica de voo e as condições ambientais espaciais, ou seja,
posição do sol, posição dos equipamentos no satélite e tipo de
material que compõe e ou reveste os equipamentos, a potência
dissipada pelos equipamentos, etc...
5:3227

28. Software para projeto e Análise
Elétrica
Objetivo:
i. Permite estudar o sistema para prevenir possíveis interferências
entre módulos. Considera-se voltagem, potência, corrente,
conversores de corrente-voltagem, geradores de sinais que rastreiam
um sinal de controle, indutores, resistências, capacitores, linha de
transmissão, transformadores, transistores, sensores de voltagem,
etc. 5:3228

29. Software para projeto e Análise
Estrutural
Objetivo:
i. analisar a estrutura geral do satélite, a melhor
distribuição dos equipamentos dentro do satélite, etc..
Ex.: Solid Works, Nastran e Ansys
5:3229

30. Simulador de Tempo-real
Objetivo:
i. prover funções em tempo real para validar o sistema com
o hardware no loop, ou com um emulador do processador
para rodar o software de bordo real.
Avionic Test Bed ou Avionic Test Bench Simulator
5:3230

31. Simulador de Tempo-Real
Objetivo:
i. analisar e testar soluções de AOCS, calibrar sensores e atuadores
i. Tipos de análises realizadas: margem de erro de apontamento, trade-
off de diferentes soluções de projeto, performances do AOCS (análise
paramétrica), degradações de performance devido à falha total ou
parcial de componentes do subsistema de controle de órbita e atitude.
ii. Composição: modelos de dinâmica de voo, ambiente espacial, inclui
distúrbios. Pode conter sensores e atuadores em hardware e/ou
software.
Controle de Órbita e Atitude
5:32
31

32. Simulador de Tempo-real
i. Pode conter os modelos de dinâmica de voo e modelos dos
subsistemas com os quais o OBDH interfaceia.
ii. Simulador de Tempo real pode conter Hardware-in-the-loop –
quando o simulador inclui o hardware do computador de bordo,
o simulador deve tratar os protocolos de comunicação entre os
equipamentos dentro do satélite. Exemplo destes protocolos
são: MIL-STD-1553, SpaceWire, PacketWire, UART.
Software de Supervisão de bordo
5:3232

33. Simulador Operacional
Objetivos:
i. validar o Segmento Solo completo e em particular, validar os
procedimentos de operação de voo (procedimentos
operacionais)
ii. treinar equipes de controle da missão e equipes de estações
terrenas
Ref.: Larry B. Rainey - Space Modeling and Simulation – roles and applications throughout the System Life Cycle. 2004.
5:3233

34. Simulador Operacional
Seu maior uso é na fase operacional da vida do satélite,
servindo como uma referência do satélite para validação,
antes de sua execução a bordo, de quaisquer atividades
críticas necessárias após o lançamento o satélite.
É considerado o maior dos simuladores do Segmento Solo,
pois consiste de elementos de todos os elementos
previamente simulados e a evolução do modelo real
comparado ao ciclo de vida. 5:3234

35. Simulador Operacional
Plataforma
Carga-útil
Estações
Terrenas
Centro de
Controle de Satélites
Telemetria
Telecomando
Ranging
Range-rate
TC
TM
Satélite
5:3235

36. Simulador Operacional
Composição:
i. Modelos detalhados dos subsistemas da plataforma,
ii. Modelo da carga-útil limitado a modelagem funcional
simplificada de:
i. geração de TM de serviço,
ii. transição de modos de operação do instrumento,
iii. uso dos recursos da plataforma,
iii. Modelo de dinâmica de voo - posição orbital, velocidade do
satélite, região de visibilidade das estações, atitude, etc...
iv. Modelo do ambiente espacial - como posição do sol, irradiação
solar,
v. Modelo das estações terrenas
5:3236

37. Simuladores Operacionais no
INPE
SIMS – to the
SCDs
• 1991
• Fortran
• High Fidelity
• High User
Satisfaction
SIMC – To the
CBERS
• 1998
• C++
• Medium
Fidelity
• Medium User
Satistcation
FBMSIM – To
the FBM
• 2002
• C++
• Medium
Fidelity
• User
satisfation not
evaluated
SIMC3 – To the
CBERS-3&4
• Under
development
• C++
• Hight fidelity
• In develpment
(AMBROSIO et al., 2006) 5:3237

38. Modelagem
5:3238

39. Filosofia de Modelos
Filosofia de modelos: consta da
definição do número e das
características dos modelos
necessários para obter confiança
na verificação do produto
(equipamento, subsistema,
satélite), com adequado balanço de
custo, qualidade e tempo.

40. Model Based Development
5:3240
http://www.gaio.com/product/solutions/mbd_solutions.html

41. Modelos desenvolvidos para uma
missão espacial
 Para realização das atividades de V&V (verificação e
validação) de uma missão espacial, diversos modelos
(do satélite, dos subsistemas, do comportamento, do
ambiente espacial) são construídos.
 Estes modelos podem ser:
 modelos físicos e
 modelos lógicos.

42. Modelos físicos desenvolvidos
para uma missão espacial
 Modelos físicos de satélites normalmente desenvolvidos:
 Structure Model (SM),
 Thermal Model (TM),
 Engeneering Model (EM),
 Qualification Model (QM),
 Flight Model (FM)
 Modelos físicos de equipamentos e/ou de subsistemas
também podem ser desenvolvidos.

43. Exemplos de modelos físicos de satélites
Modelo Térmico de satélite japonês
Modelo de Engenharia do Satélite CBERS-3
Modelo Termo-estrutural do CBERS-
2B
Modelo de Voo do satélite CBERS-2B

44. Exemplos de modelos físicos
RF Suitcase dos satélites SCD-1 e SCD-2
Modelo RADIO-ELÉTRICO do CBER-3
Simula a transmissão e
recepção de sinais em RF
dos satélites SCD-1 e SCD-
2, para teste das antenas
das estações terrenas.

45. Modelos lógicos
Os modelos lógicos são usados nos
simuladores.

46. Simulador
 Simulador – é usualmente um sistema de computador
(algoritmos, processador único ou rede) que pode
executar um modelo para reproduzir seu
comportamento. O termo simulador pode se referir a
software, hardware ou ambos.
 Modelo - é um conjunto de instruções, regras, equações
e restrições que nos permite gerar resultados
semelhantes aos gerados pelo comportamento do
sistema real.

47. Games
Jogos são Simulações
i. Jogos: + Emocionais, bonitas, histórias, investem em
usabilidade.
ii. Simuladores: + Fidelidade, arquitetura, recursos.
5:3247

48. Máquinas de estados e jogos
O comportamento pode ser modelado (na maior parte dos
casos) como uma sequencia de “estados mentais”, onde
uma mudança é realizada por ações do jogador/outros
elementos.
“Inteligência artificial em jogos”
5:3248

49. Exemplo
X
5:3249

50. 5:32
Presa ( Lala )
Presa (laalaa)
Atoa
(stand,wave,…)
Foge
(corre)
Vê o predador
Não vê o predador
Capturado
DIE!!!50

51. 5:32
Predador (O PREDADOR)
Atoa
(fica parado)
Fome
(procura)
Persegue
(corre)
Tatoa > 5
Presa a vista
Tpersegue > 10
Jantando
Presa capturada
Tjanta>5
51

52. MEF – Entender o contexto
Ações
Focar no
Satélite
• foc.sat
Focar no
Globo
• foc.g
Focar no
Subsistema
• foc.sub
Focar no
Globo +
Sat
• foc.gs
Sobrepor
Subsistema
• sob.sub
5:3252

53. MEF - Modelar
i. Máquina de estados – Autômatos -
ii. Visões diferentes
5:3253

54. MEF – Modelar
5:3254

55. MEF - Implementar
5:3255

56. MEF - Codificar
5:3256

57. Exemplo de Modelagem
 Caso de modelagem de subsistemas
via tabelas.
 Apresentação: Rodrigo Bassinello
Ramazotti
5:3257

58. Interação
5:3258

59. “The product is no
longer the basis of
value. The experience
is.”
Venkat Ramaswamy
The Future of Competition
59 5:32

60. 5:3260

61. 3 níveis
Lógico: Resolvem,
solucionam, facilitam.
Emocional: Satisfazem
necessidades e
desejos afetivos.
Visceral: resolvem
questões
fundamentais, sem
consciência.
Impulso. 5:3261

62. Espera.... Visceral?
5:3262

63. 5:3263

64. Interação homem-
máquina 5:3264

65. Software UsuáriosINTERAÇÃO
Mensagens
INTERFACE
“A troca de mensagens entre dois ou mais participantes”
5:3265

66. Interação
Natural 5:3266

67. CLI – Command
Line Códigos, estritos
GUI – Grafical
Metáforas,
exploratória
NUI – Natural
Direta,
intuitiva
RV RA
5:3267

68. Começo
 1963
 Ivan Sutherland
 51 ANOS
Sutherland
5:3268

69. 5:3269
https://www.youtube.com/watch?v=
USyoT_Ha_bA
https://www.youtube.com/watch?v=
BKM3CmRqK2o

70. Kirner’s Diagram
Source: (KIRNER et al., 2012)
Cave
M$
GRU
OASIS
CLIMB
LEGO Robots
SL
Scope
basAR
5:3270

71.  Cave - https://www.youtube.com/watch?v=Gb9ayYGM-4c
 OASIS - https://www.youtube.com/watch?v=6LHdGIBSq9s
 CLIMB - https://www.youtube.com/watch?v=UNr3bxysSb0
 SCOPE - https://www.youtube.com/watch?v=eVV5tUmky6c
 basAR – Meu canal: https://www.youtube.com/user/bodusb
 SL - https://www.youtube.com/watch?v=0jcRZjhi1e0
 Robots - https://www.youtube.com/watch?v=3BJFxnap0AI
 M$ - https://www.youtube.com/watch?v=peSYlJlg14E 5:3271

72. Realidades – Realidade Virtual
interface que permite ao
usuário interagir, em tempo real, com
um mundo
tridimensional
gerado por
computador, usando seus
sentidos através de
equipamentos
especiais.
SOURCE: NASA (2013a)
5:3272

73. Realidades – Realidade Aumentada
uma interface
baseada na sobreposição de
informações virtuais geradas
por computador (envolvendo
imagens estáticas e
dinâmicas, sons espaciais e
sensações hápticas) com o
ambiente físico do usuário,
percebida através de
dispositivos tecnológicos e
usando as interações
naturais do usuário, no
mundo físico.
SOURCE: Adapted from ESA (2009) and Capua (2008)
5:3273

74. Billinghurst Vision
Introdução
24/07/201474 fb.com/RVA.BR
Billinghurst – Popularizador da Realidade
Aumentada

75. 5:3275

76. Christopher Vision
Informação virtual
Interação Natural
dispositivos tecnológicos5:3276

77. Realidades – Realidade Cruzada
é um ambiente de realidade
misturada ubíqua, que vem
da fusão de uma rede de
sensores e atuadores (que
coletam e enviam dados
relacionados ao mundo real)
com mundos virtuais
compartilhados, usando a
interface da realidade
aumentada.
Claudio Kirner
Introdução
5:3277

78. HIT - ROADMAP
CR AI
HI
AR
IoT
HR
KMatsuda
5:3278
Kmatsuda:
https://www.youtube.com/channel/UCJn3V1947go9Xq9DhdVL1hQ

79. 79
GLASS
5:32
GLASS -
https://www.youtube.com
/watch?v=4EvNxWhskf8

80. 80
AREngine
Tango Tango
5:32
AREngine - https://www.youtube.com/watch?v=6br7NreTwD4
Tango –
https://www.youtube.com/watch?v=Qe10ExwzCqk
https://www.youtube.com/watch?v=bstopUGZNUk

81. NUI
Tangíveis
Móveis
Especializados
Institutos
inFORM
Sand
STable
Synth
MYO
META
Kinect
5:3281

82.  Stable -
https://www.youtube.com/watch?v=Mm3HKf1FWx4
 Synth - https://www.youtube.com/watch?v=kibLIrqc4oY
 MYO -
https://www.youtube.com/watch?v=oWu9TFJjHaM
 META -
https://www.youtube.com/user/metaAugmentedReality
 SandStation -
https://www.youtube.com/watch?v=a1M3ZtXV7_k
 inForm -
https://www.youtube.com/watch?v=ouP9xNujkNo
5:3282

83. Exemplo de Interação
 Trabalho de Mestrado
 Apresentação: Christopher
PG
5:3283

84. Introdução
24/07/201484 fb.com/RVA.BR

85. ERA TROGLODITA
 Graduação (2010):
 ARToolKit
 PTAMM
 Bolsista DTI (2011):
 basAR
 Conectar com ARDUINO
em C++
Literatura indica FIRMATA:
http://firmata.org/wiki/Download
24/07/201485 fb.com/RVA.BR

86. ERA TROGLODITA (C++)
 Graduação (2010):
 ARToolKit
 PTAMM
 Bolsista DTI (2011):
 basAR
ERA DO FOGO (C++/oF)
 Mestrado (2012):
 Doutorado (2014):
24/07/201486

87. Simuladores no INPE
SIMS – to the
SCDs
•1991
•Fortran
•High Fidelity
•High User
Satisfaction
SIMC – To the
CBERS
• 1998
• C++
• Medium
Fidelity
• Medium User
Satistcation
FBMSIM – To
the FBM
•2002
•C++
•Medium
Fidelity
•Low User
Satisfaction
SIMC3 – To the
CBERS-3&4
•Under
development
•C++
•Tbd fidelity
•Without
testing
(AMBROSIO et al., 2006)
?
5:3287

88. Objetivos
 Propor uma interface-usuário utilizando Realidade Virtual
e manipulação 3D.
 Avaliar seu potencial.
 Indicar uma tecnologia viável.
Metáforas
Usabilidade
5:3288

89. CBERS
IHM
Simuladores
• Conceitos
• Visualizações em simulação
• Exemplos
• Simulador operacional
SIMC3
• Estudo da Modelagem
• Estudo dos Requisitos
• Protótipo: Analix
• Mundos: MR, RA, RV,
RC, etc...
• Gerações de Interfaces
Metáforas de uso
openFrameworks
89
Interação
Revisão
Técnicas:
• Informação
Contextualizada
• Visualização de dados
• Views
• Modelos 3D
5:32

90. Views (Múltiplas Visões e Mapas)
90 5:32

91. Modelos 3D do satélite CBERS3
91
Arquivos .STL
Fornecidos
pelo Lincoln
Azevedo
1 2
3
4
5:32

92. RDT (Reconfigurable Disk Trees)
5:3292

93. Painéis - ofxUI
5:3293

94. Vídeos/Exemplos
 Exemplo da tela inicial
 Exemplo do controle do mouse
 Exemplo do touch’n’action – ver painel
 Exemplo do drag de visões
 Exemplo da navegação por RDT
 Exemplo da navegação no modelo 3D
5:3294

95.  Criado para artistas e designers
 Desenvolvido por: Zach Liberman, Theo Watson, Artuno
Castro e Chris O’Shea
 Proposta: Arrumar a falta de comunicação entre
diversas bibliotecas em C++, e permitir portabilidade.
 Escrita em C++
 Licença: MIT (educacional e venda)
openFrameworks
oF1 oF2
5:3295
https://www.youtube.com/watch?v=
6u6IDorMKAs

96. C++ Portável!!!!
96 5:32

97. Estudo do Hardware-in-the-Loop
 Trabalho de Mestrado
 Apresentação: Italo Pinto Rodrigues
PG
5:3297

98. Finalizando...
5:3298

99. Finalizando
Mudança de paradigma
Frameworks
Interações
Multidisciplinar
Muuuuuuito mais (mas muito
mesmo) está por vir.
5:3299

100. PGModelsModelsInfrastructureInteraction
User
Interfaces
RTI
Satellite
OBDH
AOCS
PROP
POWER
TÉRMICA
PAYLOAD
Earth
Station
Space
Environ.
Realidade Virtual
Realidade Cruzada
Padrões: SMP e HPA
Benchmark de Resiliência
Modelos
adaptativos
SimRT
Térmico / HIL
Pesquisasemandamento
Drª. Ana Maria
Ambrosio
5:32
10
0

101. Futurologia
FUTURO!?!?
5:32
10
1

102. Possibilidades de mini-estágios
a) Com Rodrigo ( 1 Pessoa ) - para montar 1 modelo em
LabView. Requisito: Lógica de programação / Desejável:
LabView.
b) Com Italo ( 1 Pessoa ) - MatLab (Orbita) conectar no
Arduino. Requisito: MatLab
c) Com Christopher ( Máx 3 pessoas ) - openFrameworks.
Requisito: C++
5:32
10
2

103. Thks! 
Christopher:
cscerqueira.com.br
christophercerqueira@gmail.com
fb.com/RVA.BR
Prédio Satélite – 70 - Ramal 7321
Rodrigo:
rodrigo.ramazotti@inpe.br
Italo:
italo.rodrigues@hotmail.com
5:32
10
3