In-orbit testing of FPGA designs on HYPSO-1

Abstract

HYPerspectral Smallsat for Ocean observation (HYPSO) satellittene er utviklet ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) Small Satellite Lab (SSL). De inneholder et hyperspektralt kamera brukt til å overvåke norskekysten, med fokus på å oppdage og overvåke farlig algeoppblomstring. Satellittene bruker en Om-bord Prosesseringsenhet (OPU) som inkluderer en Field Programmable Gate Array (FPGA), en rekonfigurerbar maskinvareenhet som brukes til rask og energieffektiv dataprosessering.

Satellittene er også forskningsobjekter, og brukes til teknologidemonstrasjon for lignende oppdrag. Denne oppgaven presenterer et rammeverk med mål om å legge til rette for integrering av nye FPGA design og testing av disse på de operasjonelle HYPSO satellittene. Denne prosessen inkluderer integrering av et nytt design på en kompatibel FPGA konfigurasjon, test av denne på relevant maskinvare, samarbeid med satellittoperatører for å kjøre designet på en satellitt i bane, og til slutt, vurdere om implementasjonen i bane var vellykket.

Rammeverket presentert har blitt integrert og testet på HYPSO-1 satellitten, og to nye FPGA design har blitt brukt som forsøk for rammeverket. I tillegg har rekonfigureringen blitt brukt av programvare på satellitten for å øke fleksibiliteten til prosesseringen, noe som har betydelig økt ytelsen i mer enn 90% av bilder tatt siden Mars 2024.

Arbeidet presentert i denne oppgaven kommer til å gjøre fremtidige studenter og forskere i stand til å demonstrere nye maskinvare-design på en operasjonell satellitt, noe som vil bidra til fremtidig forskning innen prosessering om bord på satellittsystemer.

The HYPerspectral Smallsat for Ocean observation (HYPSO) satellites are developed at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) Small Satellite Lab (SSL). They feature a hyperspectral camera that is used to monitor the Norwegian cost, with a focus on detecting and monitoring Harmful Algal Blooms (HABs). The satellites use an On-Board processing Unit (OPU) that includes a Field Programmable Gate Array (FPGA), a reconfigurable hardware unit used for fast and energy-efficient processing of data.

The satellites themselves are subject to research, and used as technology demonstrators for similar missions. This thesis presents a framework that aims to facilitate integration of new FPGA designs and testing of these on the operational HYPSO satellites. The process includes integrating a new design to a compatible FPGA configuration, testing this on target hardware, cooperating with satellite operators to run the design on an orbiting satellite, and finally, reviewing whether the in-orbit implementation was successful.

The framework presented has been integrated and tested on the HYPSO-1 satellite, and two new FPGA designs have been used as test cases for the framework. Additionally, the reconfiguration has been utilized by the on-board software to increase processing flexibility, significantly increasing the performance of more than 90% of image captures since March 2024.

The work presented in this thesis will enable future students and researchers to demonstrate new hardware designs on an operational satellite, contributing to future research in on-board processing on satellite systems.