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本書介紹了德國(guó)斯圖加特大學(xué)空間系統(tǒng)研究所提出的小衛(wèi)星數(shù)據(jù)與電源綜合管理架構(gòu)，以此建立了高可靠、低成本的星載計(jì)算機(jī)和電源管理與配電單元技術(shù)方案，并形成了具有代表性的120kg級(jí)衛(wèi)星平臺(tái)FLP衛(wèi)星。本書主要內(nèi)容包括系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、星載計(jì)算機(jī)處理器板、I/O板、CCSDS解碼器/編碼器板、星載計(jì)算機(jī)電源板、星載計(jì)算機(jī)內(nèi)部線束、星載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)、電源管理與配電單元、CDPI系統(tǒng)測(cè)試、FLP衛(wèi)星設(shè)計(jì)，以及設(shè)備附件和數(shù)據(jù)表。
本書適合從事航天器研制工作的工程技術(shù)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(jì)算機(jī)專業(yè)高年級(jí)本科生和研究生的參考資料。

原書前言
本書中描述的數(shù)據(jù)與電源綜合管理架構(gòu)（CDPI）實(shí)現(xiàn)了星載計(jì)算機(jī)和電源控制單元的功能集成，是在德國(guó)斯圖加特大學(xué)的小衛(wèi)星計(jì)劃研究框架內(nèi)開發(fā)的。
2009年，F(xiàn)LP衛(wèi)星（也稱為飛行的筆記本電腦）星載計(jì)算機(jī)的需求日益迫切。它必須滿足130kg FLP衛(wèi)星所遵循的嚴(yán)格性能、質(zhì)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(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)商委員會(huì)（CCSDS）遙控和遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。
因此，作為一名高級(jí)工程師，我的首要任務(wù)之一是確定星載計(jì)算機(jī)的基本功能要求：
 具有較強(qiáng)的空間輻射防護(hù)能力。
 對(duì)于FLP衛(wèi)星平臺(tái)來(lái)說(shuō)足夠緊湊（60cm70cm80cm的立方體）。
 功能強(qiáng)大，足以運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。
 適合支持基于CCSDS的專業(yè)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)。
 功耗有限。
為適應(yīng)空間輻射環(huán)境應(yīng)用需求，消費(fèi)電子元器件不在星載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)選型范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的宇航級(jí)星載計(jì)算機(jī)設(shè)備在尺寸、質(zhì)量以及成本方面均不占優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)實(shí)的選擇是從航天工業(yè)界尋找具有不同領(lǐng)域的專家構(gòu)成產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體，分別提供星載計(jì)算機(jī)組件，終形成一個(gè)完整的、具有冗余架構(gòu)的星載計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。因此，本項(xiàng)目可以定義為一個(gè)類似樂(lè)高完全模塊化的設(shè)計(jì)任務(wù)，允許將星載計(jì)算機(jī)任務(wù)分包給產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體合作伙伴。第1章簡(jiǎn)要介紹了所實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)方案。
為適應(yīng)星載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在潛在硬件故障容錯(cuò)能力和處理不同類型的外部模擬和數(shù)字接口方面的需求，將星載計(jì)算機(jī)和衛(wèi)星的電源管理與配電單元（PCDU）之間的功能進(jìn)行合并，從而形成創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，即所謂的CDPI。
在衛(wèi)星飛行件開發(fā)結(jié)束時(shí)，產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合體決定提供開發(fā)的CDPI的技術(shù)概述文檔，并以技術(shù)手冊(cè)和用戶指南的混合形式提供給其他大學(xué)生。本書也可能會(huì)引起其他大學(xué)或航天工業(yè)界合作單位的興趣，未來(lái)將在斯圖加特大學(xué)重建或改造CDPI，甚至整個(gè)衛(wèi)星平臺(tái)，以完成他們的任務(wù)。
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(jì)算機(jī)、電源管理與配電單元（PCDU）故障檢測(cè)、隔離和恢復(fù)功能的全新、超緊湊型星載計(jì)算機(jī)得以順利問(wèn)世。
首先，我代表斯圖加特大學(xué)空間系統(tǒng)研究所感謝德國(guó)Astrium有限公司經(jīng)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?cè)?011年巴登-符騰堡州勞姆法赫岑特姆（Raumfahrtzentrum Baden-Wrttemberg）落成典禮上對(duì)研究所的捐贈(zèng)。同時(shí)，我還非常感謝Astrium有限公司在弗里德里希沙芬的現(xiàn)場(chǎng)總監(jiān)艾卡德·賽特爾梅耶以及我的部門和部門負(fù)責(zé)人約格·弗萊明和沃爾克·狄巴斯，除了我在Astrim的其他任務(wù)外，他們還參與了本項(xiàng)目的指導(dǎo)活動(dòng)。
其次，作為整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)師，我非常感謝圖加特大學(xué)空間系統(tǒng)研究所所長(zhǎng)漢斯·皮特·羅瑟，他給了我足夠的空間來(lái)完善整體系統(tǒng)架構(gòu)，找到聯(lián)合體合作單位并與他們進(jìn)行談判，并在單元和系統(tǒng)層面詳細(xì)闡述和終驗(yàn)證設(shè)計(jì)。同時(shí)，他提供了所有研究所采購(gòu)部件的資金。
特別感謝加入本項(xiàng)目的行業(yè)合作單位，美國(guó)科羅拉多州Aeroflex Springs公司、瑞典Aeroflex Gaisler AB公司、英國(guó)4Links有限公司、Vectronic Aerospace公司和德國(guó)HEMA Kabeltechnik公司。一個(gè)大學(xué)項(xiàng)目得到全球工業(yè)參與者如此密集的支持是史無(wú)前例的。
2009年，我剛剛擔(dān)任FLP衛(wèi)星的工程總師，卻兩手空空地站在那里，缺乏一個(gè)令人信服的星載計(jì)算機(jī)衛(wèi)星解決方案。我的個(gè)想法是升級(jí)一種/一類Aeroflex Gaisler開發(fā)板。我在2009年的DASIA會(huì)議上聯(lián)系了Jiri Gaisler，并在此向他表示感謝，感謝他將我的問(wèn)題轉(zhuǎn)交給美國(guó)Aeroflex公司。他們當(dāng)時(shí)正在開發(fā)基于LEON3FT芯片UT699的單板計(jì)算機(jī)。從這一初的接觸中，斯圖加特大學(xué)與Aeroflex之間展開了富有成效的合作。
關(guān)于星載計(jì)算機(jī)的開發(fā)，感謝Aeroflex及其德國(guó)分銷商Protec 有限公司（慕尼黑）指導(dǎo)我們完成CPU板作為ITAR產(chǎn)品的采購(gòu)。Aeroflex幫助我們填寫了所有相關(guān)表格，并解釋了ITAR中有關(guān)裝運(yùn)和發(fā)布規(guī)則的注意事項(xiàng)。處理器板是根據(jù)技術(shù)援助協(xié)議TA-6151-10提供的。作者團(tuán)隊(duì)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(guān)于ITAR合規(guī)性的章節(jié)。
對(duì)于本書的出版，作者團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)的幫助。
后，作為CDPI的項(xiàng)目經(jīng)理，衷心感謝由博士組成的FLP衛(wèi)星聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)。
延斯·艾克霍夫博士，教授

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(shè)計(jì)
1.1引言
1.2OBC的設(shè)計(jì)基線
1.3作為模擬遠(yuǎn)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(duì)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(diǎn)
1.5系統(tǒng)架構(gòu)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(qiáng)功能的PCDU
1.7在集成環(huán)境中測(cè)試CDPI
1.8飛行件組件
1.9對(duì)未來(lái)任務(wù)的概念性展望
第2章星載計(jì)算機(jī)處理器板
2.1作為ITAR項(xiàng)目的處理器板
2.2處理器板：SBC
2.3技術(shù)概況
2.3.1OBC微處理器
2.3.2OBC存儲(chǔ)器配置
2.3.3用于多項(xiàng)功能的OBC FPGA
2.4OBC處理器板功能簡(jiǎn)介
2.5OBC處理器板存儲(chǔ)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(hào)和LEON3FT復(fù)位
2.7.5RS422接口
2.7.6復(fù)位
2.7.7時(shí)鐘接口
2.7.8DSU/以太網(wǎng)接口卡
2.8電源規(guī)格
2.9機(jī)械設(shè)計(jì)和尺寸
第3章I/O板
3.1I/O板和CCSDS板的通用設(shè)計(jì)方案
3.2作為遠(yuǎn)程接口單元的I/O板
3.3作為OBC大容量存儲(chǔ)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(biāo)識(shí)
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(wèn)協(xié)議
3.8I/O板連接器和引腳分配
3.8.1連接器A和C（OBC內(nèi)部）
3.8.2連接器B（OBC內(nèi)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(gòu)概述
4.2.1接口
4.2.2命令鏈路控制字耦合
4.2.3時(shí)鐘和復(fù)位
4.2.4性能
4.2.5遙測(cè)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(chǔ)器
4.2.9信號(hào)概述
4.3遙測(cè)編碼器
4.3.1概述
4.3.2數(shù)據(jù)鏈路子層
4.3.3數(shù)據(jù)鏈路協(xié)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(hào)定義和復(fù)位值
4.3.10遙測(cè)編碼器：虛擬通道生成
4.3.11遙測(cè)編碼器：描述符
4.3.12遙測(cè)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(shù)據(jù)格式
4.4.3編碼層
4.4.4傳輸
4.4.5緩沖區(qū)與FIFO的關(guān)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(hào)定義和復(fù)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(hào)定義和復(fù)位值
4.6帶有RMAP目標(biāo)的SpaceWire接口
4.7JTAG調(diào)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(jì)算機(jī)電源板
5.1引言
5.2電源變換
5.2.1DC/DC變換器
5.2.2OBC負(fù)載的啟動(dòng)特性
5.2.3電源板的上電特性
5.2.4電源板和OBC負(fù)載的連接
5.3時(shí)鐘選通脈沖信號(hào)
5.4加熱器和熱傳感器
5.5OBC維護(hù)接口和JTAG接口
5.6連接器配置
第6章星載計(jì)算機(jī)內(nèi)部線束
6.1引言
6.1.1要求
6.1.2挑戰(zhàn)
6.1.3實(shí)現(xiàn)
6.2線束設(shè)計(jì)
6.2.1線束工程化
6.2.2SpaceWire線束
6.2.3OBC供電線束
6.3驗(yàn)證
6.4質(zhì)量和生產(chǎn)文件
第7章星載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)
7.1結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)需求分析
7.2OBC結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
7.2.1OBC結(jié)構(gòu)概念
7.2.2機(jī)械尺寸標(biāo)注和概念驗(yàn)證
7.3OBC熱設(shè)計(jì)
7.3.1熱模型
7.3.2熱計(jì)算結(jié)果
7.3.3OBC內(nèi)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(shè)計(jì)概述
8.3.1PCDU接口
8.3.2PCDU遙控指令定義
8.4PCDU啟動(dòng)時(shí)序和PCDU運(yùn)行模式
8.5電源管理與配電控制功能
8.6CDPI架構(gòu)中的PCDU特定功能
8.6.1模擬數(shù)據(jù)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(cè)
8.7.2太陽(yáng)帆板展開的控制和監(jiān)控
8.7.3有效載荷數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)功率控制
8.7.4歷史日志功能
8.7.5內(nèi)部控制器之間的時(shí)間同步
8.7.6過(guò)電壓保護(hù)
8.7.7太陽(yáng)電池在軌測(cè)試子串測(cè)量
8.8PCDU環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證
8.8.1熱真空試驗(yàn)條件
8.8.2空間輻射承受能力
8.8.3力學(xué)試驗(yàn)條件
8.9連接器列表
8.10PCDU指令概述
第9章CDPI系統(tǒng)測(cè)試
9.1引言
9.2測(cè)試范圍
9.2.1測(cè)試條件
9.2.2相關(guān)人員
9.2.3測(cè)試流程簡(jiǎn)化
9.3測(cè)試計(jì)劃
9.3.1PCDU測(cè)試
9.3.2處理器板測(cè)試
9.3.3電源板測(cè)試
9.3.4CCSDS板和I/O板測(cè)試
9.3.5OBC子系統(tǒng)測(cè)試
9.3.6CDPI重新配置測(cè)試
9.4電性件測(cè)試平臺(tái)
9.5電性件測(cè)試執(zhí)行和結(jié)果
9.5.1衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)測(cè)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(cè)試平臺(tái)測(cè)試階段2：連接OBC處理器板和CCSDS板
9.5.3衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)測(cè)試階段3：整個(gè)指令鏈橋接射頻鏈路
9.5.4衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)測(cè)試階段4：驗(yàn)證HPC
9.5.5衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)測(cè)試階段5：控制設(shè)備單元硬件
9.5.6衛(wèi)星測(cè)試平臺(tái)測(cè)試階段6：使用姿態(tài)控制軟件
進(jìn)行性能測(cè)試
9.6飛行件測(cè)試執(zhí)行和結(jié)果
第10章FLP衛(wèi)星設(shè)計(jì)
10.1引言
10.2運(yùn)行軌道和工作模式
10.3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和星箭接口
10.4主要技術(shù)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(qū)動(dòng)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(gòu)與功能框圖
10.8運(yùn)載火箭和主載荷EMC設(shè)計(jì)約束
第11章設(shè)備附件和數(shù)據(jù)表
11.1處理器板DSU/以太網(wǎng)接口卡
11.2CCSDS標(biāo)準(zhǔn)
11.2.1CCSDS字段定義
11.2.2伽羅瓦域（有限域）
11.2.3遙測(cè)傳輸幀格式
11.2.4Reed-Solomon編碼器數(shù)據(jù)格式
11.2.5附加同步標(biāo)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(shù)據(jù)包
11.2.9異步位串行數(shù)據(jù)格式
11.2.10SpaceWire遠(yuǎn)程存儲(chǔ)器訪問(wèn)協(xié)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(cè)編碼器寄存器
11.4遙測(cè)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)圖紙
11.11PCDU單元連接器引腳分配
11.12PCDU熔斷器和開關(guān)在航天器設(shè)備上的分配
參考文獻(xiàn)

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