多功能型混合式探空火箭任務酬載－電離層閃爍儀

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研究生：	張瑋庭 Wei-Ting Chang
論文名稱：	多功能型混合式探空火箭任務酬載－電離層閃爍儀 Ionospheric Scintillation Package Onboard Multi-functional Hybrid Sounding Rocket
指導教授：	趙吉光 Chi-Kuang Chao
口試委員:
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	地球科學學院 - 太空科學與工程學系 Department of Space Science and Engineering
論文出版年：	2020
畢業學年度：	108
語文別：	中文
論文頁數：	119
中文關鍵詞：	電離層閃爍儀、探空火箭任務酬載、小型電離層探測儀
外文關鍵詞：	Ionosphere Scintillation Package, Sounding Rocket Payload, Compact Ionospheric Probe
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電離層閃爍儀(Ionospheric Scintillation Packet, ISP)為多功能型混合式探空火箭上的任務酬載，其內包含兩台小型電離層探測儀(Compact Ionospheric Probe, CIP)、一台姿態量測儀(Asperctmeter, ASM)、兩組追星儀(Star Tracker, STR)、數位控制單元(Digital Control Unit, DCU)、電源管理單元(Power Management Unit, PMU)。ISP主要任務目的為量測台灣上空電離層E層的電漿不規則體(Plasma Density Irregularities)的結構、強化地面同調散射雷達(Coherent Scatter Rader)與數位電離層測高儀(Digisonde)對電漿密度不規則體的識別能力，並以此作為CIP、ASM的功能驗證平台，獲取未來自行研發STR的影像資訊。過去在撰寫數位控制單元上，使用Component-Level Intellectual Property設定，來簡化RS-422通訊介面的程式。此方法雖在撰寫程式上節省不少內容，卻因ISP需同時獲得多項儀器資料且須重整處理後再行傳出，導致資料無法即時輸出。為解決根本問題，本論文重新定義資料格式並改寫DCU的控制程式，使所有儀器的量測資料都能正確且即時回傳。將各儀器的通訊程式由微控器重新改寫在FPGA，並且僅下載所需的驅動程式，以有效管理FPGA記憶體使用量。同時在ASM與STR程式的驗證與參數校正上，執行量測實驗並分析結果，並與ISP即將搭載之火箭端進行聯合測試，以確保ISP各功能完備，為順利執行飛行任務做好準備。

Ionospheric Scintillation Packet (ISP), which is installed on the multi-functional hybrid rocket.ISP has many sub-systems, includes Compact Ionospheric Probe (CIP), Aspectmeter (ASM), Star Tracker (STR), Digital Control Unit (DCU), and Power Management Unit (PMU). The two main tasks of the ISP are to measure the structure of plasma density irregularities in the E region over Taiwan, and to enhance the capability of identifying plasma irregularities of the Coherent Scatter Rader and the Digisonde. ISP is also a medium of functional verification of CIP, ASM, and capability of altitude determination of self-developed STR. In order to simplify the code of RS-422 communication and reduce the usage of memory, we used to import Component-Level Intellectual Property into LabVIEW FPGA. But using such the way on ISP let some data lost because ISP needs to receive and transmit with different targets at the same time. And it also needs to rebuild data into packet immediately. So as to have completely measured data and manage the usage of memory effectively, we only pick the driver we need as DCU initializes and re-program the code of RS-422 communication in FPGA. Besides,we have verified the code and calibrated the data by measuring and analyzing the results. We also have done the common test with the rocket to make sure the communication and structure interface can match.

目 錄
摘  要    i
ABSTRACT    ii
誌謝    iii
目 錄    iv
圖 目 錄    vii
表 目 錄    xi
一、    緒論    1
1.1    探空火箭    1
1.2    電離層閃爍儀    6
1.3    座標定義    8
1.3.1    火箭座標    8
1.3.2    ISP座標    10
二、    各設備功能與結構    11
2.1    數位控制單元    11
2.2    小型電離層探測儀    15
2.3    姿態量測儀    17
2.3.1    磁力計    19
2.3.2    加速計    20
2.3.3    陀螺儀    21
2.4    追星儀    22
2.5    電源管理單元    25
2.5.1    功耗預估    27
2.5.2    電池保護裝置    28
2.5.3    開/關機控制裝置    30
2.5.4    充放電程序    37
2.6    結構設計    38
2.6.1    結構架構    38
2.6.2    結構模擬    40
三、    通訊與封包格式    41
3.1    ISP 通訊與封包    41
3.2    小型電離探測儀封包格式    42
3.3    姿態量測儀封包格式    44
3.4    追星儀封包格式    45
四、    功能與通訊測試    46
4.1    地面接收測試設備    46
4.2    小型電離探測儀測試    47
4.3    姿態量測儀測試    49
4.3.1    磁力計    49
4.3.3    加速計    54
4.3.4    陀螺儀    61
4.4    追星儀測試    68
4.5    ISP通訊測試    70
4.5.1    CRC8 校驗碼    71
4.5.2    封包傳輸速率    73
4.6    聯合測試    75
五、    環境測試    76
5.1    振動測試    76
5.2    溫度循環測試    83
六、    總結與未來展望    88
參考資料    89
附錄A、ISP主程式    90
A.1    初始化部分    90
A.2    CIP部分    91
A.3    ASM部分    92
A.4    STR部分    93
A.5    封包組成部分    94
附錄B、ISP FPGA 程式    95
B.1    ISP傳輸部分    95
B.2    CIP傳輸部分    96
B.3    ASM傳輸部分    97
附錄C、ISP 組裝    99
C.1    備料清單    99
C.2    扭力表    100
C.3    組裝流程    101


                                

廖威為，電離層閃爍儀數位控制單元，碩士論文，國立中央大學，2019。
徐明慶，電離層閃爍儀電源系統，碩士論文，國立中央大學，2019。
鍾絜如，小型電離層探測儀於電漿模擬艙之量測，碩士論文，國立中央大學，2019。
范振宇，小型電離層探測儀，碩士論文，國立中央大學，2019。
蔡秉翰，小型電離層探測儀地面電子測試設備，碩士論文，國立中央大學，2017。
曹智涵，探空火箭十號的姿態重建與分析，碩士論文，國立中央大學，2015。
National Instrument, User Manual, NI sbRIO-9607 Single-Board RIO OEM Devices.
Honeywell, HMC5883L Datasheet, 3-Axis Digital Compass IC HMC5883L.
Analog Devices, ADXL345 Datasheet, 3-Axis ±2g/±4g/±8g/±16g Digital Accelerometer.
Analog Devices, AN-1077 Application note, ADXL345 Quick Start Guide.
ST, L3G4200D Datasheet, MEMS motion sensor：ultra-stable three-axis digital output gyroscope.
BASLER, Manual, acA1300-200uc.
Computar, Specifications, M1614-MP2 Specifications.
NSPO 探空火箭計畫|計畫簡介，http://www.nspo.narl.org.tw/tw2015/projects/Sounding-Rocket/program-description.html。
Hapith V Launch Vehicle and Payload User’s Guide，http://www.tispace.com/launch.html。
National Instrument, Serial Instrument Control Device Manual, USB-485 Pinout, https://www.ni.com/documentation/en/serial-instrument-control-device/latest/usb-485/pinout/.
實威國際，Solidworks Simulation原廠教育手冊，易習圖書，新北市，2011。

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