Tiểu luận môn Thông tin vệ tinh Thiết kế cơ khí của OBC ( Onboard Computer )

Tiểu luận môn Thông tin vệ tinh Thiết kế cơ khí của OBC ( Onboard Computer ) Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ hàng không, các vệ tinh ngày càng hiện đại, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng hơn. Đi cùng với đó là sự phát triển của các phân hệ của nó, một vệ tinh chỉ thực hiện được nhiệm vụ khi nó có thể tự vận hành và thực hiện các chức năng của mình trên không gian cũng như kết nối dữ liệu với trạm mặt đất.Một “Onboard Computer”(OBC) được ví như là bộ não của vệ tinh cùng với các phần mềm đi kèm sẽ thực hiện toàn bộ quá trình điều khiển vệ tinh, liên kết thông tin với trạm mặt đất, tự hành và bảo dưỡng vệ tinh định kỳ.

LỜI MỞ ĐẦU 2

I.Sơ lược lịch sử OBC 4

1.1Các chương trình Mariner 4

1.2 Các chương trình Pioneer và Voyager 5

1.3.Chương trình Galileo 6

1.4 Công nghệ hiện nay 7

II Cấu trúc của OBC 8

2.1 Bộ vi xử lý 8

2.2 Bộ nhớ 9

2.2.1 Bộ nhớ khởi động ( Boot memory) 9

2.2.2 Bộ nhớ hoạt động (Work Memory) 9

2.2.3 Bộ nhớ bảo vệ - Safeguard memory 10

2.2.4 Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu khoa học và bảo dưỡng- Science and housekeeping data memory 10

2.3 Bus dữ liệu, mạng và kết nối điểm – điểm 10

2.3.1 Các liên kết kết nối OBC 10

2.3.2 MIL-STD-1553B 11

2.3.3 SpaceWire 12

2.3.4 CAN-Bus 13

2.4 Giao diện Transponder 13

2.5 Giải mã lệnh xung đơn vị 15

2.6 Các đơn vị cấu hình lại 16

2.7 Giao diện gỡ lỗi và dịch vụ 17

2.8 Nguồn 18

2.9 Thiết bị kiểm soát nhiệt độ 18

III Thiết kế cơ khí của OBC 19

IV Giới thiệu một số OBC trên thị trường 20

4.1 NanoMind A712D – CubeSat Onboard Computer 20

4.2 ISIS Onboard Computer 21

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển không ngừng của công nghệ hàng không, các vệtinh ngày càng hiện đại, thực hiện nhiều nhiệm vụ đa dạng hơn Đi cùng với đó là sự pháttriển của các phân hệ của nó, một vệ tinh chỉ thực hiện được nhiệm vụ khi nó có thể tựvận hành và thực hiện các chức năng của mình trên không gian cũng như kết nối dữ liệuvới trạm mặt đất.Một “Onboard Computer”(OBC) được ví như là bộ não của vệ tinh cùngvới các phần mềm đi kèm sẽ thực hiện toàn bộ quá trình điều khiển vệ tinh, liên kết thôngtin với trạm mặt đất, tự hành và bảo dưỡng vệ tinh định kỳ Một ví dụ điển hình thể hiệnchức năng vô cùng quan trọng của một OBC đó là phải kể đến vệ tinh Artemis của châu

âu, nó được phóng năm 2003 và đã thực hiện bám quỹ đạo chuẩn xác trong vòng 18tháng trước khi được kết thúc nhiệm vụ và được trở về trái đất Tất cả quá trình đều đượcOBC thực hiện một cách chính xác!

Trong đề tài “Onboard Computer” em sẽ trình bày về cấu trúc, thiết kể cơ khí củaOBC và giới thiệu một số sản phẩm OBC bán trên thị trường giành cho các vệ tinh cỡnhỏ

I.Sơ lược lịch sử OBC

Trong phần này, chúng ta sẽ có một cái nhìn tổng quan vệ lịch sử phát triểncủa OBC kể từ những ngày đầu tiên của kỷ nguyên vũ trụ Tuy nhiên, trong phạm vi đềtài, chúng ta chỉ đề cập đến lịch sử của OBC trên vệ tinh, mà không đề cập đến các tàu vũtrụ có người lái Trước khi đi vào từng nhiệm vụ cụ thể của OBC, chúng ta cần phân biệtcác đặc điểm của một hệ thống OBC trên tàu vũ trụ và một hệ thống OBC thông thường,chúng có các đặc điểm như sau:

lượng cao

ngày nay, nó yêu cầu mạch tích hợp với mật độ thấp hơn, với các thiết kểriêng biệt

 Mariner : nhiệm vụ thăm dò sao hỏa, sao kim, sao thủy.

 Pioneer : thăm dò sao Mộc, sao Thổ

 Các nhiệm vụ Voyager: Sứ mệnh thăm dò không gian sao Mộc, sao Thổ,

Thiên Vương, Hải Vương và nhật quyển

 Galileo: nhiệm vụ thăm dò các tiểu hành tinh, Mộc tinh và Mặt trăng.

Sau khi tìm hiểu quá trình phát triển cũng như ứng dụng, chức năng của OBCtrong các chương trình này, chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triểncủa OBC

1.1Các chương trình Mariner

Công nghệ OBC được sử dụng trong các chương trình Mariner dựa trêncông nghệ mạch số tuần tự

Bộ vi xử lý/ Bộ nhớ: Kỹ thuật kiểm soát đơn giản, nền tảng là mạch số tuần tự,

nó có thể được lập trình bằng các dòng lệnh w.r.t, được xác định trên các khe thời giantương ứng Bộ nhớ 512 từ nhớ, đủ để lưu trữ một chuỗi lệnh điều khiển Lệnh điều khiển

từ mặt đất được truyền từ anten Goldstone Các dữ liệu khoa học ghi nhận, tín hiệu videotruyền hình đầu tiên từ tàu Mariner được truyền trên băng X OBC đầu tiên này có chứcnăng reset trong một số trường hợp khẩn cấp

1.2 Các chương trình Pioneer và Voyager.

Đặc trưng của OBC trong các nhiệm vụ này hệ vi xử lý được xây dựng trên côngnghệ transistor và bộ nhớ CMOS

Hình 1.1: Vệ tinh Voyager

Bộ vi xử lý/ Bộ nhớ chính:

bình- một phần dựa trên mạch TTL ( AACS ) một phần trên mạch tích hợp

xử lý hình ảnh hiệu suất cao nên có sử dụng CMOS RAM ( 8 Kword)

thông tin tuần tự của tàu vũ trụ

Đây là hình ảnh của một máy tính đầu tiên trên tàu vũ trụ

Hình1.2: Voyager FDS computer main boardMặc dù máy tính FDS cũng được bắt nguồn từ hệ thống tàu do thám Vikingtương ứng, trên Voyager được trang bị bộ nhớ tích hợp (8 Kword) Dữ liệu củaPioneer và Voyager được cung cấp từ ổ băng từ.ví dụ dữ liệu khoa học được thuthập sau đó được phát xuống mặt đất, băng từ này dài 328m, có thể lưu trữ 536Mbit dữ liệu, tốc độ ghi là 115,2 kbit/s, tốc độ phát 57,6 kbit/s.

1.3.Chương trình Galileo

Galileo là vệ tinh thăm dò cỡ lớn với tải trong lên tới 2,2 tấn, được phóng lên vũ trụ ngày 10/10/1989 Công nghệ máy tính trên Galileo có bước tiến dài so với các chươngtrình vũ trụ trước đây, OBC có cấu trúc CDS- “Command and Data Subsystem”, bộ vi

xử lý là các microprocessor

Hình 1.3: Vi xử lý RCA (CDP) 1802Một số thông số của vi xử lý này: 8 bit dữ liệu, 16 bit địa chỉ, hoạt động với bộ dao động nội

Hình 1.4: Mạch điều khiển và dữ liệu

So với việc thực hiện trên công nghệ bóng bán dẫn CDS của Voyager các CDS của Galileo có tốc độ chậm hơn Tuy nhiên kể từ khi sử dụng các thành phần tiền xử lý

dữ liệu mà hiệu suất của IC được tăng lên đáng kể

OBC trên Galileo có bộ nhớ 32 Kbyte, CPU hoạt động ở clock khoảng 1,6 MHz với chu kỳ lênhj 200kHz Phần mềm được viết trên ngôn ngữ Asembler

1.4 Công nghệ hiện nay

Hiện nay, công nghệ để sử dụng để chế tạo OBC là sử dụng các chip có cấu trúc RISC,

bộ nhớ RAM sử dụng các công nghệ mới nhất như M-RAM

Hình 1.5: Chip LEON3FTMột số thông số của chip LEON3FT:

 8kByte data cache

chung vào ra (GPIO)

II Cấu trúc của OBC

Một OBC sẽ bao gồm nhiều thành phần, tuy nhiên các thành phần chính cấu tạo nên OBC sẽ được nghiên cứu trong mục này:

Ta sẽ đi vào từng khối chính:

2.1 Bộ vi xử lý

Ngày nay, OBC đều sử dụng các chip RISC làm bộ vi xử lý, tuy nhiên với mỗiquốc gia hàng đầu về công nghệ vũ trụ, họ sẽ sử dụng những dòng chip khác nhau dochính họ phát triển Bảng dưới đây là liệt kê các chip được sử dụng:

R3000

Bảng 1: Các bộ vi xử lý được sử dụng trong OBC

2.2 Bộ nhớ

Trong một OBC hiện đại, bộ nhớ được phân chia để thực hiện nhiều chức năng khác nhau

2.2.1 Bộ nhớ khởi động ( Boot memory)

Trên mỗi OBC bao gồm một khu vực bộ nhớ mà dữ liệu tại đó không mất đi ngay

cả khi khởi động lại máy tính Phần bộ nhớ này giữ bộ nạp khởi động cho các phần mềmtrên máy tính

Các loại bộ nhớ thông dụng được sử dụng trong vùng này là:

bằng điện

Ngoài ra, trong các OBC được triển khai mới nhất thì công nghệ MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory) Công nghệ này kết hợp lợi ích củacác mạch tích hợp với mật độ cao, tốc độ ghi đọc cao, năng lượng tiêu thụ thấp,đáp ứng được chu kỳ lệnh của CPU Một đặc điểm quan trọng của MRAM là nó

có khả năng chịu được các tia bức xạ năng lượng cao

2.2.2 Bộ nhớ hoạt động (Work Memory)

“Random Access Memory” – RAM được sử dụng để lưu trữ các runtime và cácphần mềm thự hiện trên OBC bao gồm cả hệ điều hành và phần mềm điều khiển chính

nó Trong hoạt động của OBC bình thường ( không bao gồm các phần mềm được tải từnguồn bên ngoài) các phần mềm trên OBC được sao chép bởi bộ nhớ khởi động PROM,EEPROM vào bộ nhớ hoạt động RAM, sau đó công việc bắt đầu được thực hiện Tấtnhiên quá trình này các biến và thông số cấu hình OBSW cũng được nạp vào RAM

Các loại RAM được sử dụng cho các ứng dụng không gian- trái ngược với cácmáy tính trên mặt đất trong nhiều trường hợp là “Static RAM” – SRAM, hệ thống chạybằng điện, tuy nhiên không cần làm mới theo chu kỳ, nó sẽ bị mất thông tin khi mất điện

Một số máy tính được trang bị thêm “Dynamic RAM’’ – DRAM hoặcsynchronous DRAM(SDRAM) SDRAM cần được làm tươi theo chu kỳ tương tự nhưDRAM RAM dựa trên mạch tích hợp trong điều kiện môi trường không gian gặp mộtvấn đề là rất nhạy cảm với các hạt năng lượng cao, nó gây ra hiệu ứng SEU- Single EventUpset Để khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng một RAM chip gọi là EDAC- ErrorDetection And Correction, chức năng này được thực hiện thông qua những từ mã dài hơnmột từ mã chuẩn với nội dung dữ liệu nguyên vẹn với một địa chỉ ô nhớ Ví dụ: Chip

ERC32 và LEON hoạt động với từ mã tiêu chuẩn 32bit Các RAM chip EDAC cung cấp

bổ sung các từ mã độ rộng 40bit, tức là thêm 8 bit kiểm tra/sửa lỗi Bộ vi xử lý đánh giácác bit bổ sung của EDAC để phát hiện lỗi

2.2.3 Bộ nhớ bảo vệ - Safeguard memory

Trong OBCs có một vùng nhớ được trang bị nhằm lưu trữ thông tin về cấu hình,trạng thái của tàu, các thiết bị dư thừa Vùng nhớ này còn được gọi là “SpacecraftConfiguaration Vector”- SCV, nó được sử dụng để :

Các OBC khởi động sẽ có một khu vực bộ nhớ nơi lưu trữ thông tin về tình trạng

vệ tinh RAM Flash được sử dụng cho vùng nhớ này, tuy nhiên trong các OBChiện nay, MRAM được ứng dụng nhiều hơn

2.2.4 Bộ nhớ lưu trữ dữ liệu khoa học và bảo dưỡng- Science and housekeeping data memory.

Khu vực nhớ lưu trữ các dữ liệu:

Các thông tin được lưu trữ trong vùng nhớ này vô cùng quan trọng cho quá trìnhdọn dẹp , bảo dưỡng vệ tinh từ xa cũng như cung cấp các thông tin khoa học chotrạm mặt đất Công nghệ ram được sử dụng là Flash EEPROM- tương tự như 1USB cho máy tính

2.3 Bus dữ liệu, mạng và kết nối điểm – điểm.

2.3.1 Các liên kết kết nối OBC

Để kết nối với OBC, tồn tại ba loại kết nối chính

2.3.2 MIL-STD-1553B

Chuẩn MIL-STD-1553B ( The US military standard) xác định các đặc tính cơhọc, điên và chức năng của một bus dữ liệu Ban đầu nó được không quân Mỹ sử dụngthiết kế các ứng dụng trong máy bay quân sự Tuy nhiên, sau đó chuẩn này được áp dụngchính trong phân hệ xử lý dữ liệu của vệ tinh Một MIL bus bao gồm một BC- BusController và lên tới 31 thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa RT- Remote Terminals Hìnhsau thể hiện các thành phần của chuẩn này:

Hình 2.1: Chuẩn MIL-STD-1553B Thiết bị đầu cuối luôn được kết nối với các hai bus dữ liệu A và B Sử dụng cáp đồngtrục được nối đất và sử dụng các khớp nối RT Các dòng tín hiệu trên bus được đi quacuộn dây từ tính Do đó không có kết nối điện tồn tại trực tiếp, tránh hiệu ứng điện củamột RT khác, tín hiệu nối đất được đảm bảo bằng một điện trở ở cuối đường bus Một sốdạng mã hóa tín hiệu trên bus:

Hình 2.2: Mã hóa trực tiếp thực hiện trên chuẩn MIL-STD-1553B

Trong mô hình OSI, bus MIL được định nghĩa ở lớp 1 ( lớp vật lý) và lớp 2( lớp liên kết

dữ liệu) và một phần của lớp 4 Trong lớp 3- network packet không tồn tại kể từ khi busMIL không hỗ trợ đường dẫn mạng và các địa chỉ logic

Có 5 loại trao đổi dữ liệu giữa BC và RTs:

ngay lập tức các RTs từ 1 đến 32 nhận được 1 từ dữ liệu 16bit Lựachọn RT nhận bằng kiểm tra nhãn của dữ liệu 16 bit

đáp ứng, ngay sau đó 1 tới 32 từ mã để điều khiển

thiết bị đầu cuôi tới 31 RT còn lại Tất cả các RT này sẽ chấp nhận

dữ liệu nhưng không cho phản hồi Điều này có thế sử dụng cho hệthống lệnh rộng khắp

hoặc 31 Lệnh này có thể có hoặc không có từ mã theo sau RT đápứng với một trạng thái Chế độ này dùng để kiểm tra trạng thái củacác RT

phản hồi trạng thái, sau đó RT truyền sẽ truyền dữ liệu

2.3.3 SpaceWire

SpaceWire là một tiêu chuẩn cho một mạng lưới thông tin liên lạc tàu vũ trụ Nóđược điều phối bởi Cơ Quan Vũ Trụ Châu Âu (ESA) phối hợp với NASA, JAXA vàRKA

Tiêu chuẩn SpaceWire định nghĩa phần cứng và các tín hiệu khác biệt điện áp thấp(LVDS), SpaceWire được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn IEEE 1355 SapceWire sử dụngmột tín hiệu điện điều khiển qua 2 cặp dây song hành

Hình 2.3: Differential encoding

SpaceWire có thể vận hành đầy đủ cấu hình song công tương tự như Etherner, tuy nhiên hầu hết các ứng dụng trong không gian mới chỉ sử dụng như một khởi xướng cho ý tưởng này Ngoài ra, thiết bị định tuyến SpaceWire vẫn còn rất hiếm trong các ứng dụng không gian Tàu không gian thăng dò sao Thủy Bepi Colombo hiện đang được trang bị vàphát triển công nghệ định tuyến SpaceWire để trao đổi dữ liệu giữa các OBC và các mô đun khác.

2.3.4 CAN-Bus

“Controller Area Network” – CAN hay còn gọi là CAN bus là một tiêu chuẩn trong ngành công nghiệp ô tô cho kết nối các đơn vị điều khiển điện tử (ECU), động cơ, hộp số, hệ thông phanh được phát triển bởi Robert Bosch GmbH của Đức, kết hợp với nhà sản xuất chip Intel

CAN bus được sử dụng bởi nhà sản xuất S/C manufacturer Surrey Satellites Ltd trên tàu Giove – A – vệ tinh nguyên mẫu đầu tiên cho Châu Âu để triển hai hệ thống GPSGalileo

2.4 Giao diện Transponder

Các lệnh chỉ huy vệ tinh ngày nay được thực hiên bằng cách áp dụng một phương thức truyền thông được đặt theo tên của “Ủy ban tư vấn cho hệ thống dữ liệu không gian”-CCSDS Tiêu chuẩn này định nghĩa bố cục một gói tin, và cách thức phân đoạn, đóng khung các gói telecommand ở CLTU cho tần số vô tuyến (RF) đường lên Trong quỹ đạo của tàu, giao diện Transponder trên vệ tinh sẽ nhận được dòng bit này và tập hợplại để ở mức gói dữ liệu TC, trước khi các phần mềm có thể sử dụng chúng

Hình 2.4: Sơ đồ mã hóa/giải mã CCSDSNgược lại, cho đường xuống, các gói có sẵn trong OBSW có đặc điểm:

mã hóa Telementry(TM) từ vệ tinh sau đó được truyền xuống cho trạm mặt đất

Nhiệm vụ giải mã TC và mã TM trên vệ tinh được thực hiện bởi một vộ vi xử lý gọi là CCSDS được tích hợp vào OBC Hình dưới đây mô tả vị trí của bộ đồng xử lý CCSDS bên cạnh một OBC trong thực tê Nó cũng cho thấy các khối chức năng chính để giải mã TC và mã hóa các chuỗi TM

Hình 2.5: CCSDS Processor Booard Detail

2.5 Giải mã lệnh xung đơn vị

Như mạch tích hợp (ASICs hoặc FPGA) họ cung cấp các chức năng cho trườnghợp khẩn cấp,ví dụ như gặp sự cố, các phần mềm trên vệ tinh bị trục trặc Khi đó đểkiểm soát tình hình, trạm mặt đất sẽ điều khiển vệ tinh nhờ vào một “ lệnh ưu tiên cao” –HPC Các lênh HPC được xác định bởi chip xử lý CCSDS và được chuyển đến một nơigiải mã lệnh xung đơn vị - Command Pulse Decoding Unit (CPDU) Một lệnh cứng baogồm 8 bit cho lựa chọn kênh và 8 bit cho định nghĩa độ dài xung

CPDU trong hình dưới có 256 đầu ra là tín hiệu tương tự có thể chuyển đổi bằng các 8bit kênh trong lệnh HPC Các xung tương tự đi ra ngoài các CPDU được chuyển đên cácthiết bị chuyên dụng- Ví dụ như: Chuyển tín hiệu khẩn cấp đên vùng “Điều khiển vàphân phôi điện năng- Power Control and Distribution Unit, cho trường hợp khẩn cấp, nóchỉ thị cho khối này thực hiện ngắt điện để đảm bảo an toàn cho toàn hệ thống

Hình 2.6: Tín hiệu HPC được CPDU định tuyến đến PCDU

2.6 Các đơn vị cấu hình lại

Tất cả các yêu tố bên trong OBC như board xử lý CCSDS, CPU board, cung cấp năng lượng… đều có sẵn một dự phòng Các đơn vị cấu hình lại được kích hoạt khi :

Ngoài ra, các đơn vị cấu hình lại cũng theo dõi những đơn vị đang hoạt động bình thường và cập nhật thông tin vào bộ nhớ báo vệ Hầu hết các trường hợp, các đơn vị cấu hình lại chưa các thông tin theo dõi thời gian và một số cờ nội bộ của OBC Vì vậy, trongtrường hợp một có lỗi với phần mềm mà chúng ta khởi động lại với phần mềm khác, thì tình trạng của OBC sẽ được các đơn vị cấu hình lại cung cấp cho OBSW

Hình 2.7: Vị trí của khối cấu hình lại trong OBC

2.7 Giao diện gỡ lỗi và dịch vụ

OBC trên vệ tinh cũng giống như trên một hệ thống nhúng bình thường khác, nócung cấp cho người lập trình viên các giao tiếp với bàn phím, màn hình…Để cho phép gỡlỗi trên hệ thông hiện đại như ERC 32, LEON RS6000 cung cấp các công cụ gỡ lỗi tiêuchuẩn hiện nay Ví dụ : ERC 32 và Leon các trình biên dịch GNU và GDB gỡ lỗi có sẵn.Tuy nhiên nó là chưa đủ trong quá trình sửa ỗi phần mềm Hệ thông phần cứng cần cungcấp một giao diện trao đổi dữ liệu giữa các các lệnh phần mềm và công cụ gỡ lỗi Giaodiện gỡ lỗi có thể là JTAG- Join Test Action Group, có chức năng tương tự các chứcnăng gỡ lỗi phần cứng đối với CCN và chip bộ nhớ chuẩn hóa Thông thường giao diệnnày thực hiên qua:

Service Interface (SIF) ở châu Âu được cung cấp bởi Astrium và RUAGAerospace, một SÌ là một kênh hiệu suất cao( ví dụ như SpaceWire) được gắn vàomain board và quản lý bằng phần mềm Các phần mềm sau khi được trang bị một

bộ xử lý giao diện dịch vụ chuyên dụng để kiểm soát dữ liệu về thông tin y tế củatàu Chức năng “log”, nó không bị vô hiệu hóa ngay cả khi phóng và chuyển độngcủa vệ tinh, bởi vậy nó cho phép kiểm tra tình trạng vệ tinh ngay cả lúc trên bệphóng và khoảng thời gian trong phóng vệ tinh Giao diện dịch vụ nhiều khi cũng

có thể sử dụng để cho phần mềm tải nhanh lên bộ nhớ RAM trong khi OBC chưakhởi động

2.8 Nguồn

OBC thương hoạt động với với nguồn cung cấp cho chip vào khoảng 3.3 V,đôi khi có thể lên tới 5V Bus nguồn của một vệ tinh thông thường cung cấp 2đường điện áp 1 chiều là 28V và 50V Bộ chuyển đổi điện thương được sử dungnhư các trường hợp dự phòng Như đã nêu ở trên PCDU là nơi cung cấp, phânphối điện cho toàn bộ hệ thống

2.9 Thiết bị kiểm soát nhiệt độ

Việc giám sát nhiệt độ phải thực hiện cho mỗi bo mạch của OBC, quá trìnhgiám sát được thực hiện bằng cách gắn các nhiệt điện trở vào các board hoặc chip trênOBC Việc làm mát của chip và board thông qua quá trính phát thải nhiệt bức xạ, chỉtrong một số trường hợp đặc biệt ống dẫn nhiệt mới được sử dụng

Trong trường hợp lạnh khi vệ tinh đi vào các vùng tối, các thiết bị kiểm soát nhiệt

độ sẽ đo đạc và đưa ra quyết định làm nóng các board của OBC để có nhiệt độ tối thiểu là-40 Các cách làm nóng: