PEARL系列立方衛星飛行軟體開發｜國立中央大學博碩士論文系統

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研究生：	洪華廷 Hua-Ting Hung
論文名稱：	PEARL系列立方衛星飛行軟體開發 PEARL CubeSat Flight Software Development
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：	2022
畢業學年度：	110
語文別：	中文
論文頁數：	80
中文關鍵詞：	立方衛星、飛行軟體
外文關鍵詞：	CubeSat, Flight Software
相關次數：	點閱：11 下載：0
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本文目的為介紹PEARL系列立方衛星飛行軟體之設計概念與軟體架構，主要進行低軌通訊實驗，PEARL-1C搭載鐳洋科技的K/Ka-band通訊實驗酬載（K/Ka-band Communication Payload, KCP）與中大太空酬載實驗室的CIP（Compact Ionosphere Probe）科學酬載，PEARL-1H搭載創未來科技的通訊酬載（Communication Payload, CPL）與鴻海科技集團的相機模組。為降低發射費用，採用SpaceX共乘服務。兩枚衛星預計部署在離地約550公里的太陽同步（Sun Synchronous Orbit, SSO）低地球軌道（Low Earth Orbit, LEO）執行任務。由於衛星本體皆購自國外的衛星公司，因此自行開發飛行軟體便為PEARL系列任務的主要發展目標。除了管理各次系統之間的工作，必須協助各酬載達成任務目標。

The purpose of this paper is to introduce the design concept and software architecture of the PEARL series Cubesat flight software, mainly for low-orbit communication experiments. PEARL-1C is equipped with KCP of RAPIDTEK TECHNOLOGIES INC. and the CIP (Compact Ionosphere Probe) scientific payload of the Space Payload Laboratory, NCU. On the other hand, PEARL-1H is equipped with the Communication Payload (CPL) of Tron Future Tech. and the camera module of Foxconn Technology Group. To reduce launch costs, use SpaceX ride-sharing services. The two satellites are expected to be deployed in Sun Synchronous Orbit (SSO) Low Earth Orbit (LEO) about 550 kilometers above the ground. Since the satellite bodies are all purchased from foreign satellite companies, self-development of flight software is the main development goal of the PEARL series of missions. In addition to managing work between subsystems, each payload must be assisted in achieving mission objectives.

目錄
摘要    i
ABSTRACT    ii
目錄    iii
圖目錄    vi
表目錄    vii
一、    衛星任務    1
1.1    目前任務    1
1.1.1    珍珠號    1
1.1.2    PEARL-1C&1H主要目標    2
1.1.3    衛星系統架構    3
1.1.3.1    通訊次系統    3
1.1.3.2    電力次系統    3
1.1.3.3    姿態控制次系統    4
1.1.3.4    酬載次系統    4
1.1.3.5    結構次系統    4
二、    C&DH與FSW次系統架構與組成    6
2.1    C&DH 與FSW架構    6
2.1.1    PEARL-1C任務需求：    6
2.1.1.1    功能需求 (Functional Requirements):    6
2.1.1.2    性能需求 (Performance Requirements):    6
2.1.2    PEARL-1H任務需求：    7
2.1.2.1    功能需求 (Functional Requirements):    7
2.1.2.2    性能需求 (Performance Requirements):    7
2.2    C&DH硬體    8
2.2.1    C&DH MCU(microcontroller)組成部件    8
2.2.1.1    OBC架構    11
2.2.2    介面控制文件(Interface Control Document，ICD)    12
2.2.2.1    ICD通訊界面    12
2.2.3    FSW(Flight Software)架構    13
2.2.3.1    微控制器啟動程式碼    14
2.2.3.2    HAL程式包    14
2.2.3.3    驅動程式包    15
2.2.3.4    中介層軟體包MW (Middlewares/Services)    15
2.2.3.5    應用層軟體包    16
三、    飛行軟體(Flight Software，FSW)設計    16
3.1    FSW模式設定    17
3.1.1    FSW RTOS 設定    18
3.1.1.1    FSW RTOS Task規劃    18
3.1.1.2    各Task功能簡介    18
3.1.2    飛行軟體模式UML圖表    22
3.1.2.1    UML (Unified Modeling Language)    23
3.1.2.2    PEARL 飛行軟體UML狀態機設計    23
3.2    飛行軟體操作流程    27
3.2.1    發射階段以及軌道初期運作    28
3.2.2    正常程序運作流程    29
3.2.2.1    程序: CIP資料量測    29
3.3    飛行軟體Commissioning Step    30
3.3.1    重要次系統調適指令    30
3.3.2    姿態次系統調適指令    31
四、    PEARL通訊封包與指令    32
4.1    PEARL信標封包    32
4.1.1    UHF收發機信標封包    32
4.1.2    OBC信標封包    33
4.2    PEARL酬載封包    34
4.2.1    CIP封包    34
4.3    PEARL指令通訊協定    36
4.3.1    ESTTC指令格式    37
4.3.2    ESPSI指令格式    38
4.4    PEARL指令    38
4.4.1    EPS指令    39
4.4.1.1    電池包指令    39
4.4.1.2    電力分配模組指令    42
4.4.1.3    智慧太陽能板指令    45
4.4.2    UHFII指令    46
4.4.3    UHF 2U 天線指令    48
4.4.4    ADCS指令    49
4.4.5    OBC指令    51
4.4.6    CIP指令    53
4.4.7    CPL指令    55
五、    酬載模擬器與OBC模擬器    56
5.1    CIP模擬器    56
六、    PEARL本體系統與酬載功能測試    57
6.1    指令功能測試    57
七、    結論與未來展望    64
八、    附錄    64
8.1    開發環境設定    64
參考文獻    65

圖目錄
圖 1  NASA 太空任務發展生命週期PDR/CDR階段    2
圖 2  ADCS架構圖    4
圖 3 1C結構配置圖    5
圖 4 1H結構配置圖    5
圖 5 基礎GPIO架構圖    8
圖 6 SPI基礎架構    9
圖 7 I2C功能區塊圖    9
圖 8 USART架構圖    10
圖 9 OBC架構圖    11
圖 10 PEARL-1C酬載與衛星本體通訊界面    12
圖 11 PEARL 1H酬載與衛星本體通訊界面    13
圖 12  FSW組成架構    13
圖 13 FSW各階層之函數互動關係    15
圖 14  LVLH與目標指向示意圖    17
圖 15 模式切換UML狀態機流程    20
圖 16 Ping-Pong回應UML狀態機    21
圖 17 PEARL-1C飛行軟體UML有限狀態機設定    26
圖 18  PEARL-1H飛行軟體UML有限狀態機設定    27
圖 19 衛星初始指令動作    28
圖 20 PEARL衛星本體調適步驟    31
圖 21 ESPSI OSI架構    38
圖 22 CIP LabView程式UI畫面    56
圖 23 MCU開發板與MyRIO CIP模擬器與PC連接實體    57
圖 24 OBC Jumper位置與連接方式    58
圖 25 OBC UART位置(COM8 H1:33, 35)與FT232轉接器    58
圖 26 OBC測試設置完成    59
圖 27 Terminal UART傳輸參數設定    59
圖 28 RTC指令功能測試    60
圖 29 MAG指令功能測試    60
圖 30 Gyroscope commands    61
圖 31 Photosensor commands    61
圖 32 Magnetorquer commands    62
圖 33 讀取軟體版本指令    62
圖 34 Temperature sensor commands    63
圖 35 讀取OBC重設次數    63
表目錄
表 1 通訊協定比較    10
表 2 PEARL 1-C各次系統模式之設定    17
表 3 PEARL 1-H各次系統模式之設定    18
表 4 服務層RTOS任務一覽    22
表 5 應用層RTOS任務一覽    22
表 6 PEARL-1C模式切換標準    24
表 7 PEARL-1H 模式切換標準    25
表 8 姿態控制次系統的調適步驟    32
表 9 UHF信標封包    33
表 10 OBC信標封包    33
表 11 安全模式封包    34
表 12 常態模式封包格式    35
表 13 快速模式封包格式    36
表 14 ESTTC UART/USART通道    37
表 15 “R”與”W”指令封包格式    37
表 16 電池包ESPS I軟體指令    39
表 17 電力分配模組ESPS I軟體指令    42
表 18  SSP ESTTC指令    45
表 19  UHF ESTTC寫入指令    47
表 20  UHF ESTTC讀取指令    47
表 21 寫入Ant. ESTTC指令    48
表 22 讀取 Ant. ESTTC指令    49
表 23  CubeADCS指令    49
表 24 OBC ESTTC指令    51
表 25 CIP 指令列表    53
表 26 CPL指令列表    55


                                

[1] X. Fan, Real-Time Embedded Systems Design Principles and Engineering Practices, Oxford, U.K. : Newnes, 2015.
[2] Evangelia, “ONBOARD COMPUTER TYPE I,” EnduroSat, December 2021.
[3] I. Petrov, “EnduroSat On-Board Computer StarterKit Documentation,” EnduroSat, 15/09/2021.
[4] 蔡秉翰, “小型電離層探測儀地面電子測試設備,” 國立中央大學, 2017.
[5] 馮佳音, “小型電離層探測儀實驗室電漿注入測試,” 國立中央大學, 2020.
[6] M. K. T. K. D. S. H. G. R. a. S. S. K. Lamichhane, “Embedded RTOS implementation for Twin Nano-satellite STUDSAT-2,” IEEE Metrology for Aerospace (MetroAeroSpace), 2015 .
[7] Z. K. N. S. a. Y. D. C. Shimiao, “Design and Verification for Autonomous Operation of Cameras Carried by the Micro-Satellite,” 2020 7th International Conference on Information Science and Control Engineering (ICISCE), 2020.
[8] J. Moreno, “Macchiato User Guide,” EnduroSat , 2021.
[9] SPL, “PRL1C-IRD-0001.2022.03.15,” NCU, 2022.
[10] SPL, “PRL1H-IRD-0001.2022.03.15,” NCU, 2022.
[11] E. G. L. S. M. H. a. G. R. A. S. Johl, “A reusable command and data handling system for university cubesat missions,” 2014 IEEE Aerospace Conference, 2014.
[12] 戴子雅, “飛鼠號立方衛星之飛行軟體及韌體設計,” 國立中央大學, 2021.
[13] E. Macias-Zugasti, “Development Of The Payload System And OBC Microcontroller Coding For A Cubic Satellite Performing An Additive Self-Repair Experiment In Space,” Open Access Theses & Dissertations, 2020.
[14] G. Nikiforov, “ENDUROSAT PROTOCOL STACK I(ESPS I) User Manual,” ENDUROSAT, 2021.
[15] E. Gkaravela, “ONBOARD COMPUTER TYPE I User Manual,” EnduroSat, 2021.
[16] V. Slavkova, “UHF Transceiver Type II,” EnduroSat, 2022.
[17] V. Slavkova, “Electric Power System II(EPS II) User Manual,” EnduroSat, 2021.
[18] 蔡惠心, “PEARL立方衛星姿態辨識與控制次系統之設計與模擬,” 國立中央大學, 2021.
[19] 黃唯蓉, “PEARL立方衛星系統設計與軌道模擬,” 國立中央大學, 2021.
[20] R. Boyanov, “6U DEPLOYABLE SOLAR ARRAYS SPACE DART 90 DEGREES User Manual,” EnduroSat, 2021.
[21] R. Boyanov, “3U DEPLOYABLE SOLAR ARRAYS SPACE DART 90 DEGREES User Manual,” EnduroSat, 2021.
[22] OMG, “OMG® Unified Modeling Language® (OMG UML®),” OMG, 2017.
[23] E. Gkaravela, “UHF Antenna 2U footprint User Manual,” ENDUROSAT, 2022.
[24] C. Groenewald, “CubeADCS User Manual,” CubeADCS, 2020.
[25] TronFuture, “PRL1HPL-CDRL-1007,” TronFuture, 2022.
[26] NASA, “NASA Systems Engineering Handbook,” NASA, 2016.
[27] STM, “RM0433 Reference manual,” STM, February 2020.
[28] CUBEADCS, “CubeADCS Interface Control Document,” CUBEADCS, 2021.
[29] J. Eickhoff, Onboard Computers, Onboard Software and Satellite Operations An Introduction, Berlin Heidelberg: Springer-Verlag , 2012.

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