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.

Contents LỜI MỞ ĐẦU 1 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. Một ví dụ điển hình thể hiện chức 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 18 tháng trước khi được kết thúc nhiệm vụ và được trở về trái đất. Tất cả quá trình đều được OBC thực hiện một cách chính xác! Trong đề tài “Onboard Computer” em sẽ trình bày về cấu trúc, thiết kể cơ khí của OBC và giới thiệu một số sản phẩm OBC bán trên thị trường giành cho các vệ tinh cỡ nhỏ. 2 I.Sơ lược lịch sử OBC Trong phần này, chúng ta sẽ có một cái nhìn tổng quan vệ lịch sử phát triển của OBC kể từ những ngày đầu tiên của kỷ nguyên vũ trụ. Tuy nhiên, trong phạm vi đề tài, chúng ta chỉ đề cập đến lịch sử của OBC trên vệ tinh, mà không đề cập đến các tàu vũ trụ có người lái. Trước khi đi vào từng nhiệm vụ cụ thể của OBC, chúng ta cần phân biệt các 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: • Tương thích với điều kiện môi trường không gian, với các tia bức xạ năng lượng cao. • Chịu được sự thay đổi nhiệt đột ngột. • Không thể đạt được theo tiêu chuẩn mạch tích hợp cao như các máy tính ngày nay, nó yêu cầu mạch tích hợp với mật độ thấp hơn, với các thiết kể riêng biệt. • Hoạt động ở tần số thấp, khoảng 20-66 MHz • Tích hợp nhiều loại giao tiếp: Serial, LVLS, Analog, các giao diện bus dữ liệu. • Có các phân hệ dự phòng, có thể được thay thế tự động hoặc được điều khiển từ mặt đất. Lịch sử phát triển của OBC trong nhiều thập kỷ được gắn liền với các chương trình sau: • 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 OBC trong các chương trình này, chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển của OBC. 1.1Các chương trình Mariner Công nghệ OBC được sử dụng trong các chương trình Mariner dựa trên công 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 gian 3 tương 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 video truyền hình đầu tiên từ tàu Mariner được truyền trên băng X. OBC đầu tiên này có chức năng 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 công nghệ transistor và bộ nhớ CMOS Hình 1.1: Vệ tinh Voyager Bộ vi xử lý/ Bộ nhớ chính: • Công nghệ thực hiện bộ vi xử lý là cá mạch tích hợp mật độ thấp/ trung bình- một phần dựa trên mạch TTL ( AACS ) một phần trên mạch tích hợp. • Sử dụng bộ nhớ lõi từ tính, khả năng lưu trữ 4K từ mã 18 bit. Do yêu cầu xử lý hình ảnh hiệu suất cao nên có sử dụng CMOS RAM ( 8 Kword) • Cung cấp chức năng: giải mã lệnh, khắc phục lỗi, xử lý tín hiệu anten, thông tin tuần tự của tàu vũ trụ. Đây là hình ảnh của một máy tính đầu tiên trên tàu vũ trụ 4 Hình1.2: Voyager FDS computer main board Mặc dù máy tính FDS cũng được bắt nguồn từ hệ thống tàu do thám Viking tương ứng, trên Voyager được trang bị bộ nhớ tích hợp (8 Kword) . Dữ liệu của Pioneer và Voyager được cung cấp từ ổ băng từ.ví dụ dữ liệu khoa học được thu thập sau đó được phát xuống mặt đất, băng từ này dài 328m, có thể lưu trữ 536 Mbit 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 chương trình 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) 1802 Một số thông số của vi xử lý này: 8 bit dữ liệu, 16 bit địa chỉ, hoạt động với bộ dao động nội. 5 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 LEON3FT Một số thông số của chip LEON3FT: 6 • 8kByte data cache • 32 bit điều khiển SDRAM với EDAC cho SDRAM bên ngoài 16 bit dùng chung vào ra (GPIO). • Timer/ watch dog giám sát điều khiển ngắt • Gỡ lỗi UART , giao diên JTAG • Có 4 liên kết SpaceWire • 2 bộ điều khiên CAN, Ethernet, giao diện cPCI. 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: • Bộ vi xử lý • Bộ nhớ trong/khởi động/ bảo vệ • Bus dữ liệu và bus điều khiển • Giao diện gỡ lỗi và dịch vụ • Giao diện transponder • Nguồn • Khối tái cấu hình • Khối cảm biến và điều khiển nhiệt độ 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 mỗi quốc gia hàng đầu về công nghệ vũ trụ, họ sẽ sử dụng những dòng chip khác nhau do chính họ phát triển. Bảng dưới đây là liệt kê các chip được sử dụng: Châu Âu ERC32 và kiến trúc Leon Mỹ PowerPC 603, PowerPC 750, MIPS R3000 Nhật Hitachi SuperH(SH) Trung Quốc ARM IP, FPGAs Bảng 1: Các bộ vi xử lý được sử dụng trong OBC 7 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 mềm trên máy tính. Các loại bộ nhớ thông dụng được sử dụng trong vùng này là: • PROM : Programmable Read Only Memory- Bộ nhớ chỉ đọc. • EEPROM: Electrically Erasable PROM – Bộ nhớ PROM được xóa được 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 của các 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 các phần 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 từ nguồn 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. Tất nhiên 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 các máy tính trên mặt đất trong nhiều trường hợp là “Static RAM” – SRAM, hệ thống chạy bằng 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 hoặc synchronous DRAM(SDRAM). SDRAM cần được làm tươi theo chu kỳ tương tự như DRAM. RAM dựa trên mạch tích hợp trong điều kiện môi trường không gian gặp một vấn đề là rất nhạy cảm với các hạt năng lượng cao, nó gây ra hiệu ứng SEU- Single Event Upset. Để khắc phục vấn đề này, người ta sử dụng một RAM chip gọi là EDAC- Error Detection And Correction, chức năng này được thực hiện thông qua những từ mã dài hơn một từ mã chuẩn với nội dung dữ liệu nguyên vẹn với một địa chỉ ô nhớ. Ví dụ: Chip 8 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 giá các 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 “Spacecraft Configuaration Vector”- SCV, nó được sử dụng để : • Cấu hình lại các OBC • Khôi phục dữ liệu sau khi bị mất điện tạm thời 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 OBC hiện 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: • Dữ liệu vệ sinh định kỳ từ tram mặt đất. • Các dữ liệu khoa học. Các thông tin được lưu trữ trong vùng nhớ này vô cùng quan trọng cho quá trình dọn dẹp , bảo dưỡng vệ tinh từ xa cũng như cung cấp các thông tin khoa học cho trạm mặt đất. Công nghệ ram được sử dụng là Flash EEPROM- tương tự như 1 USB 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 • Điểm tới điểm: Kết nối các nhiệt điện trở, cảm biến… với OBC sử dụng dây nối. • Bus dữ liệu: Kết nối OBC với các thiết bị như bộ tiếp nhận GPS, tải, star tracker • Mạng điều khiển: Mạng điều khiển bao gồm các thiết bị định tuyến và các mạng con. 9 2.3.2 MIL-STD-1553B Chuẩn MIL-STD-1553B ( The US military standard) xác định các đặc tính cơ học, điên và chức năng của một bus dữ liệu. Ban đầu nó được không quân Mỹ sử dụng thiết kế các ứng dụng trong máy bay quân sự. Tuy nhiên, sau đó chuẩn này được áp dụng chính trong phân hệ xử lý dữ liệu của vệ tinh. Một MIL bus bao gồm một BC- Bus Controller và lên tới 31 thiết bị đầu cuối điều khiển từ xa RT- Remote Terminals. Hình sau 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 đồng trục được nối đất và sử dụng các khớp nối RT. Các dòng tín hiệu trên bus được đi qua cuộn dây từ tính. Do đó không có kết nối điện tồn tại trực tiếp, tránh hiệu ứng điện của một RT khác, tín hiệu nối đất được đảm bảo bằng một điện trở ở cuối đường bus. Một số dạng mã hóa tín hiệu trên bus: Hình 2.2: Mã hóa trực tiếp thực hiện trên chuẩn MIL-STD-1553B 10 [...]... nóng: 17 • • • Làm nóng dây trong mạch in Làm nóng dây đồng trong OBC Dùng thảm sưởi III Thiết kế cơ khí của OBC Việc thiết kế cơ khí của một OBC có vẻ như một nhiệm vụ kha đơn giản so với việc chế tạo mạch điện tử Tuy nhiên thiết kế cơ khí phải thực hiện một số yêu cầu không thể đánh giá thấp Không chỉ các kết nối giữa PCBs OBC và lớp vỏ OBC phải chịu được các yêu tố: • • Rung động và va đập trong quá... cầu tình toán chính xác, đảm bảo thông tin liên tục, OBC trên vệ tinh cần có thiết kể về cơ khí cầu kỳ hơn, ngoài ra còn có thêm các khối tái cài đặt Từ những hiểu biết cơ bản trên chúng ta có thể tiến hành thiết kế, chế tạo 22 các OBC của riêng mình Em xin chân thành cảm ơn PSG.TS Vũ Văn Yêm đã giúp đỡ em hoàn thành bài tập này! TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 “ Onboard Computers, Onboard Software and Satellite... tả quá trình mã hóa dữ liệu Telecommand (TC) từ trạm mặt đất sau đó truyền dữ liệu lên vệ tinh Ở chiều ngược lại 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... 100 € ISIS Subsystems Interface Library: 5,000 € KẾT LUẬN Từ những tìm trên chúng ta đã có cái nhìn tổng quan về các thành phần của phân hệ máy tính trên vệ tinh – Onboard Computer, về cơ bản các thành phần cấu tạo nên OBC trên vệ tinh cũng giống như một hệ nhúng thông thường Tuy nhiên, do đặc tính hoạt động trong môi trường không gian chịu tác dụng của những tia bức xạ năng lượng cao, biên độ nhiệt... để kiểm soát dữ liệu về thông tin y tế của tàu Chức năng “log”, nó không bị vô hiệu hóa ngay cả khi phóng và chuyển động của vệ tinh, bởi vậy nó cho phép kiểm tra tình trạng vệ tinh ngay cả lúc trên bệ phóng 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 chưa khởi động 2.8 Nguồn OBC thương hoạt động với... 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 GPS Galileo 2.4 Giao diện Transponder Các lệnh chỉ huy vệ tinh ngày nay được thực hiên bằng... 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, trong trường 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 15 Hình 2.7: Vị trí của khối cấu hình lại trong OBC 2.7 Giao diện gỡ lỗi... bọc bên ngoài Do đó việc thiết kế phần khung bên ngoài là khá phức tạp Hì nh 3.2: Khung tổng thể của OBC Một khía cạnh nữa trong việc thiết kế khung là đảm bảo độ nhiễu điện từ và sự thay đổi nhiệt độ bên ngoài, phần khung bên ngoài phải chắc chắn và được bọc một lớp bảo vệ để tránh các tác dụng này IV Giới thiệu một số OBC trên thị trường 4.1 NanoMind A712D – CubeSat Onboard Computer  Tổng quan: NanoMind... Như mạch tích hợp (ASICs hoặc FPGA) họ cung cấp các chức năng cho trường hợp khẩn cấp,ví dụ như gặp sự cố, các phần mềm trên vệ tinh bị trục trặc Khi đó để kiểm 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 nơi giải mã lệnh xung đơn vị - Command Pulse Decoding Unit (CPDU) Một lệnh cứng bao... 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 hợp lại để ở mức gói dữ . liên kết kết nối OBC Để kết nối với OBC, tồn tại ba loại kết nối chính • Điểm tới điểm: Kết nối các nhiệt điện trở, cảm biến… với OBC sử dụng dây nối. • Bus dữ liệu: Kết nối OBC với các thiết. lịch sử của OBC trên vệ tinh, mà không đề cập đến các tàu vũ trụ có người lái. Trước khi đi vào từng nhiệm vụ cụ thể của OBC, chúng ta cần phân biệt các đặc điểm của một hệ thống OBC trên tàu. như ứng dụng, chức năng của OBC trong các chương trình này, chúng ta sẽ có cái nhìn tổng quan về lịch sử phát triển của OBC. 1.1Các chương trình Mariner Công nghệ OBC được sử dụng trong các chương