| 姓名 |
王振宇(Chen-Yu Wang)
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畢業系所 |
太空科學與工程學系 |
| 論文名稱 |
新式小型電離層探測儀電路與韌體優化
(Circuit and Firmware Optimization of New Compact Ionospheric Probe)
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| 摘要(中) |
小型電離層探測儀（Compact Ionosphere Probe, CIP），是由國立中央大學（National Central University, NCU）太空酬載實驗室（Space Payload Laboratory, SPL）研發與製作出的一個可現地量測（In-situ）太空電漿的儀器，收集衛星經過的電漿離子，轉化成封包數據提供我們做科學資料的分析。小型電離層探測儀的前身是福爾摩沙衛星五號（FORMOSAT-5）的科學酬載：先進電離層探測儀（Advanced Ionospheric Probe, AIP）的優化版，體積重量都減少了許多，為的是能將其安裝於立方衛星上，配合立方衛星本體在耗能、空間限制下仍不失其功能。隨著衛星任務的進展與需求，CIP也一次又一次的進行改良與優化，不論是在機構，又或是電路、功能上都有了大幅度的更新，也隨著積體電路製造技術的快速發展，越來越多合適的元件可以取代原先的設計，使其在電路上能夠以更精簡的方式實現。除此之外，在新式CIP當中，將新增儲存裝置，並針對CIP電路設計上需要改進的部分做系統性的優化，同時也把他的核心元件做一次統整性的更新，包含FPGA晶片全面升級，不但維持其低功耗、低成本的優勢，更能促進未來軟硬體的更高效開發。這確保了未來的衛星任務，例如福爾摩沙衛星九號（FORMOSAT-9）、珍珠號立方衛星（PEARL-1AB），可以更加方便地整合並運行。這篇論文將從電離層開始說起，介紹小型電離層探測儀在太空酬載實驗室上的歷史演進，介紹CIP最新的架構、功能、驗證，並展示模組化CIP在PEARL 1C立方衛星上、ELITE衛星測試上所展現出的成果。接著以福衛九號太空天氣探測儀（Space Weather Ionosphere Probe, SWIP）為例，說明SWIP最新的電路架構、功能、介面與韌體，展示小型電離層探測儀在未來能夠繼續為台灣的太空做出貢獻，使科學研究更有價值性。 |
| 摘要(英) |
The Compact Ionospheric Probe （CIP） is an in-situ instrument for measuring space plasma, developed and manufactured by the Space Payload Laboratory （SPL） at National Central University （NCU）. It gathers plasma ions from the areas where the satellite passes through, converting them into data packets for scientific analysis. The CIP is a miniaturized version of the Advanced Ionospheric Probe （AIP）, a science payload on the FORMOSAT-5. Its size and weight have been significantly reduced to allow installation on CubeSats, while still retaining the functionality to conform to the energy and space limitations. As the satellite mission requirements, the CIP has undergone continuous improvements and optimizations, including substantial updates in its structure, circuitry, and functionality. With advancements in integrated circuit manufacturing technologies, more suitable components are available to replace the original designs, fulfilling the functional requirements in a more streamlined manner. Additionally, the new generation of CIP incorporates enhanced storage capabilities and systematic optimizations will be undertaken to refine and enhance the identified shortcomings in the CIP circuitry design. Moreover, the core component, the FPGA chip, has also had a comprehensive upgrade, maintaining its advantages of low power consumption and cost-efficiency while facilitating more efficient hardware and software development in the future. These advancements ensure that future satellite missions, such as FORMOSAT-9 and PEARL-1AB, can be conveniently integrated and operated. This paper begins with an overview of the ionosphere and shows the historical evolution of the Compact Ionosphere Probe at the Space Payload Laboratory. It details the latest architecture, functions, and validations of the CIP and showcases its modular design′s performance in applications such as the PEARL-1C CubeSat and the ELITE satellite tests. Take the FORMOSAT-9 Space Weather Ionosphere Probe （SWIP） as an example, the paper also explains the latest circuit architecture of SWIP, functionality, interfaces, and firmware, demonstrating how the CIP continues contributing to Taiwan′s space exploration efforts. These contributions significantly enhance the scientific value of space research. |
| 關鍵字(中) |
★ 小型電離層探測儀
★ 珍珠號立方衛星
★ 福爾摩沙衛星九號
★ 太空天氣探測儀 |
關鍵字(英) |
★ CIP
★ PEARL-1C
★ FORMOSAT-9
★ SWIP |
| 論文目次 |
摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
論文目錄 iv
圖目錄 ix
表目錄 xxi
作者序 xxiv
一、電離層與探測 1
1.1、地球大氣層與電離層簡介 1
1.1.1、大氣分層 1
1.1.2、電離層 3
1.2、電離層探測 8
1.2.1、數位電離層測高儀 9
1.2.2、Ionogram 10
1.2.3、現地量測 11
1.2.4、現地電漿探測儀的發展 11
1.3、章節說明與研究目的 15
二、衛星任務與小型電離層探測儀 16
2.1、先進電離層探測儀 16
2.2、演進歷史與衛星任務 18
2.2.1、INSPIRESat-1衛星 20
2.2.2、INSPIRESat-2 / IDEASSat飛鼠號立方衛星 21
2.2.3、INSPIRESat-4 / ARCADE立方衛星 22
2.2.4、ISP電離層閃爍儀 23
2.2.5、PEARL珍珠號立方衛星 24
2.2.6、ELITE衛星 26
2.3、小型電離層探測儀 28
2.3.1、初代CIP的架構 28
2.3.2、模組化CIP的特色 28
2.3.3、新式CIP電路與韌體優化 32
2.4、功能與量測原理 32
2.5、FORMOSAT-9福衛九號 37
2.6、太空天氣探測儀 39
三、硬體電路架構與韌體介面 41
3.1、任務模式 41
3.1.1、閒置模式（Idle mode） 41
3.1.2、正常模式（Normal mode） 41
3.1.3、快速模式（Fast mode） 42
3.1.4、次要模式（Sub mode） 42
3.2、結構與機械介面 44
3.2.1、座標系統 44
3.2.2、大小與重量 44
3.3、電氣介面 46
3.3.1、電壓 46
3.3.2、電流 46
3.3.3、功率 47
3.3.4、接地 48
3.4、韌體介面 53
3.4.1、指令 53
3.4.2、時序 55
3.4.3、狀態資訊 56
3.5、接頭與纜線 59
3.5.1、PEARL-1C CIP接頭位置 59
3.5.2、ELITE CIP接頭位置 62
3.5.3、腳位定義 65
3.6、電源管理電路 67
3.6.1、負載開關 68
3.6.2、濾波器 69
3.6.3、DC-DC Converter 70
3.6.4、Low-Dropout Regulator 73
3.6.5、過電流保護與電源切換開關 75
3.7、數位控制電路 80
3.7.1、介面IC電路 80
3.7.2、FPGA與其周邊電路 84
3.8、類比轉換電路 88
3.9、小結 89
四、功能環境測試與實際驗證 92
4.1、基本功能測試 92
4.1.1、電路板健康測試 93
4.1.2、功率量測 97
4.1.3、掃描電壓測試 99
4.2、電流注入暨校正測試 103
4.2.1、測試流程與架構 103
4.2.2、PEARL-1C CIP電流注入測試結果 108
4.2.3、ELITE CIP EQM電流注入測試結果 110
4.2.4、ELITE CIP FM電流注入測試結果 112
4.2.5、結果討論 114
4.2.6、新版電流注入校正程式 114
4.3、電漿注入測試 117
4.3.1、電漿測試設備 117
4.3.2、PEARL-1C CIP電漿注入測試 126
4.3.3、ELITE CIP電漿注入測試 131
4.4、熱真空測試 148
4.4.1、熱真空測試設備 148
4.4.2、PEARL CIP熱真空測試 156
4.4.3、ELITE CIP EQM熱真空測試 158
4.4.4、ELITE CIP FM熱真空測試 164
4.5、振動測試 169
4.6、PEARL-1C CIP實際上太空驗證 172
五、太空天氣探測儀電氣與介面架構 175
5.1、硬體架構 175
5.1.1、酬載架構 175
5.1.2、座標定義 177
5.2、模式定義 178
5.2.1、操作模式（主模式） 178
5.2.2、次階模式 179
5.3、電源 183
5.3.1、電源分配 184
5.3.2、功率估算 184
5.3.3、隔離式電源管理區塊 186
5.4、系統功能 187
5.5、介面定義 189
5.5.1、指令與遙傳介面規範 191
5.5.2、遙傳介面 193
5.5.3、指令介面 198
5.5.4、衛星狀態輔助資料 202
5.5.5、科學資料介面規範 205
5.5.6、科學資料介面 206
5.6、接頭與纜線 211
5.6.1、衛星本體對外殼接頭 214
5.6.2、外殼對PM&DCU接頭 218
5.6.3、PM&DCU對探測器接頭 222
六、太空天氣探測儀電路設計與模擬 226
6.1、電源管理單元電路設計 226
6.1.1、EMI Filter 228
6.1.2、隔離式DCDC轉換器 230
6.1.3、探測器電源設計 231
6.1.4、FPGA電源設計 234
6.1.5、隔離式通訊介面 235
6.1.6、過電流保護 237
6.2、數位控制單元電路設計 240
6.2.1、FPGA I/O Banks 241
6.2.2、Ground & Power 242
6.2.3、Bank 0 244
6.2.4、Bank 13 33 34 45 244
6.2.5、Bank 500/501 245
6.2.6、Bank 502 246
6.3、類比處理單元電路設計 247
6.4、韌體架構 250
6.4.1、開發工具 250
6.4.2、軟體架構 250
6.5、模式控制 252
6.5.1、主次模式架構 252
6.5.2、控制模組架構 253
6.5.3、有限狀態機 254
6.6、模擬 257
七、總結與未來展望 266
參考文獻 268 |
| 參考文獻 |
余柏毅. “小型電離層探測儀搭載於衛星之結構設計”國立中央大學, 2024.
楊瑞安.“小型電離層探測儀用於立方衛星之模組化設計.”國立中央大學, 2022.
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, 2021.
林再文. “先進電離層探測儀”國立中央大學, 2016.
林宗琪.“小型電離層探測儀類比前端處理單元.”國立中央大學, 2017.
高珮庭. “小型電離層探測儀數位控制單元.”國立中央大學, 2017.
曾從恩. “小型電離層探測儀電源管理單元.”國立中央大學, 2017.
劉心慈.“飛鼠號立方衛星之結構次系統.”國立中央大學, 2020.
徐妤婷.“熱真空測試系統.”國立中央大學, 2013.
洪晟銘.“太空電漿模擬艙自動化監控系統.”國立中央大學, 2016.
張瑋庭.“多功能型混合式探空火箭任務酬載－電離層閃爍儀.”國立中央大學, 2020.
國立中央大學高空動力實驗室NCU Upper Air Dynamics Laboratory.
福衛九號第一顆衛星科學酬載研製計畫書, TASA-S-1130204.
PEARL-1C Compact Ionospheric Probe Function Test Procedure, Issue 00 Revision 01, 2023/07.
Vibration Test Report for Singapore Nanyang Technical University ELITE CIP FM, Issue 00 Revision 00, 2024/12.
Thermal Vacuum Test Report for Singapore Nanyang Technical University ELITE CIP EQM, Issue 00 Revision 01, 2024/05.
Thermal Vacuum Test Report for Singapore Nanyang Technical University ELITE CIP FM, Issue 00 Revision 00, 2024/12.
FS9ASPL-CDRL-01, FORMOSAT-9A Space Weather Ionosphere Probe Science Payload Specification, Issue 00 Revision 00, 2024/07.
FORMOSAT 9 Science Payload to Bus EICD, 2024/07.
FS9ASPL-CDRL-02, FORMOSAT-9A Space Weather Ionosphere Probe Software and Firmware Specification (DRAFT), Issue 00 Revision 00, 2024/12.
FS9ASPL-CDRL-03, FORMOSAT-9A Space Weather Ionosphere Probe Interface Control Document, Issue 00 Revision 00, 2024/12.
Totoroot Personailised Learning. “What are Layers of Atmosphere? Structure, Importance”
https://en.wikipedia.org/wiki/Ionosphere
NASA Center for Climate Simulation.“NCCS Helps NASA Scientists Create New Global Ozone Profile Reaching from Earth’s Surface to the Mesosphere”
LOWELL Digisonde International.“Station Map: Global Digisonde Stations”
https://hamwaves.com/ionograms/en/index.html
Laboratory for Atmospheric and Space Physics. “International Satellite Program in Research and Education Constellation of Satellites. ”
https://www.straitstimes.com/. “Singapore’s first satellite to orbit closest to Earth unveiled; set for launch in mid-2025. ”
https://www.eurekalert.org/“NTU Singapore showcases final test model of Singapore’s latest satellite to President Tharman Shanmugaratnam. ”
https://www.cincon.com/productdownload/Datasheet-FM10-20-100.pdf
https://www.tracopower.com/products/tel5.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/6105fa.pdf
https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm293.pdf?ts=1736521337391&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252Fzh-tw%252FLM293
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LTC6994-1-6994-2.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ltc6993-6993-1-6993-2-6993-3-6993-4.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adg719.pdf
THVD1406, THVD1426 3.3-V to 5-V RS-485 Transceivers with Auto-direction Control and ±12-kV IEC ESD Protection.
TPS75003 Configurable Multi-Rail PMIC datasheet (Rev. J)
https://www.craneae.com/sites/default/files/resources/FMCE-1528_EMI_Input_Filters.pdf
https://www.researchgate.net/figure/CE102-conduction-and-internal-space-coupling-diagram-CE102-exceeding-the-standard-is_fig3_342205468
https://www.mouser.tw/datasheet/2/468/REC5K_RW-3326811.pdf
LM2940x 1-A Low Dropout Regulator datasheet (Rev. J)
LM2990 Negative Low-Dropout Regulator datasheet (Rev. G)
TPS7A24 200-mA, 18-V, Ultra-Low IQ, Low-Dropout Voltage Regulator datasheet (Rev. E)
https://www.te.com.cn/chn-zh/product-3-1617072-9.html
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ltm8078.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/LTM4644-4644-1.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/adm2461e_adm2463e.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADN4650-4651-4652.pdf
https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ADM1270.pdf
INA19xA-Q1 Current Shunt Monitors –16-V to 80-V Common-Mode Range datasheet (Rev. E)
ADC128S102-SEP Radiation-Tolerant, 8-Channel, 50-kSPS to 1-MSPS, 12-Bit ADC datasheet (Rev. A)
https://www.mouser.tw/new/xilinx/xilinx-zynq-7000-socs/
Xilinx. Zynq-7000 SoC Packaging and Pinout, Product Specification. |
| 指導教授 |
趙吉光(Chi-Kuang Chao)
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審核日期 |
2025-1-16 |
| 推文 |
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