本書介紹了德國斯圖加特大學空間系統(tǒng)研究所提出的小衛(wèi)星數據與電源綜合管理架構，以此建立了高可靠、低成本的星載計算機和電源管理與配電單元技術方案，并形成了具有代表性的120kg級衛(wèi)星平臺FLP衛(wèi)星。本書主要內容包括系統(tǒng)總體設計、星載計算機處理器板、I/O板、CCSDS解碼器/編碼器板、星載計算機電源板、星載計算機內部線束、星載計算機結構和熱設計、電源管理與配電單元、CDPI系統(tǒng)測試、FLP衛(wèi)星設計，以及設備附件和數據表。
本書適合從事航天器研制工作的工程技術人員和管理人員閱讀和參考，也可作為航空航天專業(yè)、電氣工程專業(yè)和計算機專業(yè)高年級本科生和研究生的參考資料。
本書介紹了德國斯圖加特大學空間系統(tǒng)研究所提出的小衛(wèi)星數據與電源綜合管理架構，圍繞小衛(wèi)星FLP的研制，結合大量實際設計實例、圖片、表格，介紹了系統(tǒng)總體設計、星載計算機處理器板、I/O板、CCSDS解碼器/編碼器板、星載計算機電源板、星載計算機結構和熱設計、電源管理與分配單元、CDPI系統(tǒng)測試、FLP目標衛(wèi)星設計。
本書作者Jens Eickhoff教授原為德國斯圖亞特大學空間系統(tǒng)研究所的教授，與德國航空航天研究中心、德國Astrium有限公司和麻省理工學院航空航天電子工程系合作，共同開展小衛(wèi)星FLP的研制工作�，F工作于空客集團防務與航天裝備公司，擔任腓特烈港航天技術創(chuàng)新中心主任。Jens Eickhoff教授在小衛(wèi)星數據與電源管理領域具有很高的聲望。
原書前言
本書中描述的數據與電源綜合管理架構（CDPI）實現了星載計算機和電源控制單元的功能集成，是在德國斯圖加特大學的小衛(wèi)星計劃研究框架內開發(fā)的。
2009年，FLP衛(wèi)星（也稱為飛行的筆記本電腦）星載計算機的需求日益迫切。它必須滿足130kg FLP衛(wèi)星所遵循的嚴格性能、質量、體積和功耗限制，具有全功能姿態(tài)控制系統(tǒng)（ACS）、多種有效載荷以及完全符合空間數據系統(tǒng)協商委員會（CCSDS）遙控和遙測標準。
因此，作為一名高級工程師，我的首要任務之一是確定星載計算機的基本功能要求：
具有較強的空間輻射防護能力。
對于FLP衛(wèi)星平臺來說足夠緊湊（60cm70cm80cm的立方體）。
功能強大，足以運行實時操作系統(tǒng)。
適合支持基于CCSDS的專業(yè)衛(wèi)星運營。
功耗有限。
為適應空間輻射環(huán)境應用需求，消費電子元器件不在星載計算機設計選型范圍內。傳統(tǒng)的宇航級星載計算機設備在尺寸、質量以及成本方面均不占優(yōu)勢，現實的選擇是從航天工業(yè)界尋找具有不同領域的專家構成產學研聯合體，分別提供星載計算機組件，終形成一個完整的、具有冗余架構的星載計算機產品。因此，本項目可以定義為一個類似樂高完全模塊化的設計任務，允許將星載計算機任務分包給產學研聯合體合作伙伴。第1章簡要介紹了所實現的設計方案。
為適應星載計算機系統(tǒng)在潛在硬件故障容錯能力和處理不同類型的外部模擬和數字接口方面的需求，將星載計算機和衛(wèi)星的電源管理與配電單元（PCDU）之間的功能進行合并，從而形成創(chuàng)新的設計，即所謂的CDPI。
在衛(wèi)星飛行件開發(fā)結束時，產學研聯合體決定提供開發(fā)的CDPI的技術概述文檔，并以技術手冊和用戶指南的混合形式提供給其他大學生。本書也可能會引起其他大學或航天工業(yè)界合作單位的興趣，未來將在斯圖加特大學重建或改造CDPI，甚至整個衛(wèi)星平臺，以完成他們的任務。
延斯·艾克霍夫博士，教授
原書致謝
感謝多方面的支持，集成星載計算機、電源管理與配電單元（PCDU）故障檢測、隔離和恢復功能的全新、超緊湊型星載計算機得以順利問世。
首先，我代表斯圖加特大學空間系統(tǒng)研究所感謝德國Astrium有限公司經理埃弗特·杜多克提供了飛行件處理器板的研發(fā)資金，并感謝他們在2011年巴登-符騰堡州勞姆法赫岑特姆（Raumfahrtzentrum Baden-Wrttemberg）落成典禮上對研究所的捐贈。同時，我還非常感謝Astrium有限公司在弗里德里希沙芬的現場總監(jiān)艾卡德·賽特爾梅耶以及我的部門和部門負責人約格·弗萊明和沃爾克·狄巴斯，除了我在Astrim的其他任務外，他們還參與了本項目的指導活動。
其次，作為整體系統(tǒng)設計師，我非常感謝圖加特大學空間系統(tǒng)研究所所長漢斯·皮特·羅瑟，他給了我足夠的空間來完善整體系統(tǒng)架構，找到聯合體合作單位并與他們進行談判，并在單元和系統(tǒng)層面詳細闡述和終驗證設計。同時，他提供了所有研究所采購部件的資金。
特別感謝加入本項目的行業(yè)合作單位，美國科羅拉多州Aeroflex Springs公司、瑞典Aeroflex Gaisler AB公司、英國4Links有限公司、Vectronic Aerospace公司和德國HEMA Kabeltechnik公司。一個大學項目得到全球工業(yè)參與者如此密集的支持是史無前例的。
2009年，我剛剛擔任FLP衛(wèi)星的工程總師，卻兩手空空地站在那里，缺乏一個令人信服的星載計算機衛(wèi)星解決方案。我的個想法是升級一種/一類Aeroflex Gaisler開發(fā)板。我在2009年的DASIA會議上聯系了Jiri Gaisler，并在此向他表示感謝，感謝他將我的問題轉交給美國Aeroflex公司。他們當時正在開發(fā)基于LEON3FT芯片UT699的單板計算機。從這一初的接觸中，斯圖加特大學與Aeroflex之間展開了富有成效的合作。
關于星載計算機的開發(fā)，感謝Aeroflex及其德國分銷商Protec 有限公司（慕尼黑）指導我們完成CPU板作為ITAR產品的采購。Aeroflex幫助我們填寫了所有相關表格，并解釋了ITAR中有關裝運和發(fā)布規(guī)則的注意事項。處理器板是根據技術援助協議TA-6151-10提供的。作者團隊還要感謝Aeroflex管理層，特別是Tony Jordan授予其首席開發(fā)人員Sam Stratton參與本書的許可，并審查了Aeroflex關于ITAR合規(guī)性的章節(jié)。
對于本書的出版，作者團隊感謝斯特里特·布魯納夫人和克里斯托夫·鮑曼博士以及Springer出版團隊的幫助。
后，作為CDPI的項目經理，衷心感謝由博士組成的FLP衛(wèi)星聯合攻關團隊。
延斯·艾克霍夫博士，教授
本書作者Jens Eickhoff教授原為德國斯圖亞特大學空間系統(tǒng)研究所的教授，與德國航空航天研究中心、德國Astrium有限公司和麻省理工學院航空航天電子工程系合作，共同開展小衛(wèi)星FLP的研制工作�，F工作于空客集團防務與航天裝備公司，擔任腓特烈港航天技術創(chuàng)新中心主任。Jens Eickhoff教授在小衛(wèi)星數據與電源管理領域具有很高的聲望。
目錄
推薦序
譯者序
原書序
原書前言
原書致謝
第1章系統(tǒng)總體設計
1.1引言
1.2OBC的設計基線
1.3作為模擬遠程接口單元的PCDU
1.4通用系統(tǒng)重新配置控制器
1.4.1故障處理期間的組件功能
1.4.2創(chuàng)新：針對所有FDIR功能的組合控制器
1.4.3組合控制器的故障處理
1.4.4組合控制器方式的優(yōu)點
1.5系統(tǒng)架構的完整性
1.6組件選擇
1.6.1處理器板
1.6.2CCSDS解碼器/編碼器
1.6.3I/O板和CCSDS板
1.6.4OBC電源板
1.6.5增強功能的PCDU
1.7在集成環(huán)境中測試CDPI
1.8飛行件組件
1.9對未來任務的概念性展望
第2章星載計算機處理器板
2.1作為ITAR項目的處理器板
2.2處理器板：SBC
2.3技術概況
2.3.1OBC微處理器
2.3.2OBC存儲器配置
2.3.3用于多項功能的OBC FPGA
2.4OBC處理器板功能簡介
2.5OBC處理器板存儲器接口
2.6OBC處理器板SpaceWire接口
2.7其他功能
2.7.1NVMEM芯片使能
2.7.2SRAM芯片使能
2.7.3秒脈沖接口
2.7.4看門狗信號和LEON3FT復位
2.7.5RS422接口
2.7.6復位
2.7.7時鐘接口
2.7.8DSU/以太網接口卡
2.8電源規(guī)格
2.9機械設計和尺寸
第3章I/O板
3.1I/O板和CCSDS板的通用設計方案
3.2作為遠程接口單元的I/O板
3.3作為OBC大容量存儲器單元的I/O板
3.4I/O板熱備份操作方式
3.5I/O板RMAP接口
3.5.1I/O板的板標識
3.5.2I/O板接口RMAP地址
3.5.3RMAP返回狀態(tài)值
3.6I/O接口電路、接地和終端
3.7I/O板接口訪問協議
3.8I/O板連接器和引腳分配
3.8.1連接器A和C（OBC內部）
3.8.2連接器B（OBC內部）
3.8.3連接器D和E（OBC外部）
3.9I/O板和CCSDS板抗輻射能力
3.10I/O板和CCSDS板溫度容限
3.114Links合作開發(fā)商
第4章CCSDS解碼器/編碼器板
4.1引言
4.2架構概述
4.2.1接口
4.2.2命令鏈路控制字耦合
4.2.3時鐘和復位
4.2.4性能
4.2.5遙測編碼器
4.2.6遙控解碼器
4.2.7SpaceWire鏈路接口
4.2.8片上存儲器
4.2.9信號概述
4.3遙測編碼器
4.3.1概述
4.3.2數據鏈路子層
4.3.3數據鏈路協議子層
4.3.4同步和通道編碼子層
4.3.5物理層
4.3.6連接性
4.3.7操作
4.3.8寄存器
4.3.9信號定義和復位值
4.3.10遙測編碼器：虛擬通道生成
4.3.11遙測編碼器：描述符
4.3.12遙測編碼器：虛擬通道生成功能輸入接口
4.4遙控解碼器：軟件命令
4.4.1概述
4.4.2數據格式
4.4.3編碼層
4.4.4傳輸
4.4.5緩沖區(qū)與FIFO的關系
4.4.6命令鏈路控制字接口
4.4.7配置接口（AMBA AHB從站）
4.4.8中斷
4.4.9寄存器
4.4.10信號定義和復位值
4.5遙控解碼器：硬件命令
4.5.1概述
4.5.2操作
4.5.3遙控傳輸幀格式：硬件命令
4.5.4信號定義和復位值
4.6帶有RMAP目標的SpaceWire接口
4.7JTAG調試接口
4.8其他功能
4.9CCSDS處理器航天器特定配置
第5章星載計算機電源板
5.1引言
5.2電源變換
5.2.1DC/DC變換器
5.2.2OBC負載的啟動特性
5.2.3電源板的上電特性
5.2.4電源板和OBC負載的連接
5.3時鐘選通脈沖信號
5.4加熱器和熱傳感器
5.5OBC維護接口和JTAG接口
5.6連接器配置
第6章星載計算機內部線束
6.1引言
6.1.1要求
6.1.2挑戰(zhàn)
6.1.3實現
6.2線束設計
6.2.1線束工程化
6.2.2SpaceWire線束
6.2.3OBC供電線束
6.3驗證
6.4質量和生產文件
第7章星載計算機結構和熱設計
7.1結構和熱設計需求分析
7.2OBC結構設計
7.2.1OBC結構概念
7.2.2機械尺寸標注和概念驗證
7.3OBC熱設計
7.3.1熱模型
7.3.2熱計算結果
7.3.3OBC內部加熱器
7.4OBC外殼材料特性
第8章電源管理與配電單元
8.1引言
8.2衛(wèi)星典型電源分系統(tǒng)中的PCDU
8.3PCDU設計概述
8.3.1PCDU接口
8.3.2PCDU遙控指令定義
8.4PCDU啟動時序和PCDU運行模式
8.5電源管理與配電控制功能
8.6CDPI架構中的PCDU特定功能
8.6.1模擬數據處理概念
8.6.2OBC的重新配置邏輯
8.6.3航天器的重新配置功能
8.7PCDU其他功能
8.7.1星箭分離檢測
8.7.2太陽帆板展開的控制和監(jiān)控
8.7.3有效載荷數據傳輸分系統(tǒng)功率控制
8.7.4歷史日志功能
8.7.5內部控制器之間的時間同步
8.7.6過電壓保護
8.7.7太陽電池在軌測試子串測量
8.8PCDU環(huán)境試驗驗證
8.8.1熱真空試驗條件
8.8.2空間輻射承受能力
8.8.3力學試驗條件
8.9連接器列表
8.10PCDU指令概述
第9章CDPI系統(tǒng)測試
9.1引言
9.2測試范圍
9.2.1測試條件
9.2.2相關人員
9.2.3測試流程簡化
9.3測試計劃
9.3.1PCDU測試
9.3.2處理器板測試
9.3.3電源板測試
9.3.4CCSDS板和I/O板測試
9.3.5OBC子系統(tǒng)測試
9.3.6CDPI重新配置測試
9.4電性件測試平臺
9.5電性件測試執(zhí)行和結果
9.5.1衛(wèi)星測試平臺測試階段1：連接OBC處理器板和航天器仿真器
9.5.2衛(wèi)星測試平臺測試階段2：連接OBC處理器板和CCSDS板
9.5.3衛(wèi)星測試平臺測試階段3：整個指令鏈橋接射頻鏈路
9.5.4衛(wèi)星測試平臺測試階段4：驗證HPC
9.5.5衛(wèi)星測試平臺測試階段5：控制設備單元硬件
9.5.6衛(wèi)星測試平臺測試階段6：使用姿態(tài)控制軟件
進行性能測試
9.6飛行件測試執(zhí)行和結果
第10章FLP衛(wèi)星設計
10.1引言
10.2運行軌道和工作模式
10.3結構設計和星箭接口
10.4主要技術和有效載荷
10.5衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)
10.5.1傳感器和驅動器
10.5.2控制模式
10.6衛(wèi)星通信鏈路
10.7衛(wèi)星電氣架構與功能框圖
10.8運載火箭和主載荷EMC設計約束
第11章設備附件和數據表
11.1處理器板DSU/以太網接口卡
11.2CCSDS標準
11.2.1CCSDS字段定義
11.2.2伽羅瓦域（有限域）
11.2.3遙測傳輸幀格式
11.2.4Reed-Solomon編碼器數據格式
11.2.5附加同步標記
11.2.6遙控傳輸幀格式
11.2.7命令鏈路控制字
11.2.8空間數據包
11.2.9異步位串行數據格式
11.2.10SpaceWire遠程存儲器訪問協議
11.2.11命令鏈路控制字接口
11.2.12波形格式
11.3所選遙測編碼器寄存器
11.4遙測編碼器：虛擬通道生成寄存器
11.5所選遙控解碼器寄存器
11.6OBC單元CAD設計圖紙
11.7OBC單元I/O板連接器引腳定義
11.8OBC單元CCSDS板連接器引腳分配
11.9OBC電源板連接器引腳分配
11.10PCDU單元CAD設計圖紙
11.11PCDU單元連接器引腳分配
11.12PCDU熔斷器和開關在航天器設備上的分配
參考文獻
書單推薦
