PEARL系列立方衛星飛行軟體開發

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姓名

洪華廷(Hua-Ting Hung) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學與工程研究所

論文名稱

PEARL系列立方衛星飛行軟體開發
(PEARL CubeSat Flight Software Development)

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摘要(中)

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。

摘要(英)

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.

關鍵字(中)

★ 立方衛星
★ 飛行軟體

關鍵字(英)

★ CubeSat
★ Flight Software

論文目次

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

參考文獻

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指導教授

趙吉光(Chi-Kuang Chao)

審核日期

2022-8-3

推文