福爾摩沙衛星五號 │ 自主發展關鍵元件

光學遙測酬載儀器自主發展能力,發展關鍵元件與技術

太空中心利用福五計畫為發展平台,與國內產業界及研究單位合作負責發展遙測衛星重要之關鍵元件包括指令與資料管理單元(CDMU)、電力控制與分配單元(PCDU)、飛行軟體(Flight Software)、遙測酬載電子單元(RSI EU)、CMOS型聚焦面組合(CMOS Type FPA)等五項。電力控制與分配單元、指令與資料管理單元與飛行軟體均已完成研製並安裝於衛星上,遙測酬載電子單元與CMOS型聚焦面組合正進行最後聯線與環境測試工作,預計於2014年第四季遙測酬載將完成與衛星本體整合。

電力控制與分配單元(PCDU)

由太空中心與中科院共同發展之太空級衛星電力控制單元,太空中心負責訂定元件規格,中科院負責線路設計與電路板製造,雙方共同執行該元件之功能測試與太空環境測試。該元件為福五計畫第一個完成之關鍵元件,已經裝在福五衛星上,並提供電力控制與分配之功能,順利完成各次系統之全功能驗證。

電力控制與分配單元之主要功能,包括展開太陽能板維持衛星電力供應、配送電瓶電力供加熱器與指令與資料管理單元等元件、輸出+5.2V電壓共50W、+/-15V共30W電力供各電子零件使用、能自動或地面操控切換成備援電力,緊急時,維持衛星安全及再復元機會。電路設計上內含17個電路模組、超過100個電力配置通道及38個太陽電力控制路徑。

電力控制與分配單元外觀及其組成電路板如下圖:

指令與資料管理單元(CDMU,或稱為衛星電腦)

具處理衛星姿態與軌道維持、健康狀態資料處理、地面指令執行、遙傳與科學資料處理、衛星失效重組功能、電力調節、衛星時間管理等,能在嚴酷的輻射、高溫、低溫太空環境下運作超過5年之機率為94%,可滿足未來10年衛星任務。

衛星電腦飛行體於2014年初通過嚴苛之太空環境驗證測試後,已經安裝於衛星上執行其各項功能,以驗證其他的各次系統與元件。衛星電腦幾乎零缺點之功能,帶給福五工作團隊莫大信心。過程中,太空中心由規格分析開始全部都是自主研發,包含電路設計、數位線路模擬分析、FPGA韌體發展、線路佈局,並配合中科院之製造能量,執行電路板與結構體製造,最後太空中心與中科院共同進行太空環境測試包括電機電子零件壽命測試、輻射測試篩選及元件測試熱真空、振動、衝擊、電磁相容驗證。

電路設計上考慮模組相互備份、高可靠度設計、衛星失效安全模式管理、減額設計、大設計裕度、失效隔離設計、雜訊抑制設計,具2千萬指令/秒(20 MIPS)運算處理能力、高速資料通信達2千5百萬位元/秒(25Mbps)、下傳遙測資料速率達8百萬位元/秒(8Mbps)、上傳指令速率達12萬8千位元/秒(128Kbps)、能搭載6個科學酬載共30億位元 (3Gbits)科學資料等功能,而且於軌道上能從地面將飛行軟體完全改版。

衛星電腦外觀及其組成電路板如下圖:

飛行軟體(Flight Software)

福衛五號飛行軟體為國人首次自主發展之高解析度與高機動性遙測衛星控制軟體,經由完全掌握衛星系統、飛行元件控制技術,及飛行軟體整套開發與驗證作業,完成一套我國可傳承之衛星軟體平台架構。

飛行軟體內建即時作業系統,以規劃/協調/執行/監控衛星整體之關鍵系統功能運作,其層面涵蓋衛星之各次系統及元件之操作與控制功能外,並提供失效偵測、隔絕與回復(FDIR)之處理能力。飛行軟體的發展過程,從需求分析定義、軟體設計、程式碼開發及驗證測試之各個環節皆依循ECSS-E-40規範。飛行軟體可同時提供256個衛星絕對時間指令、10,000個姿態控制相對時間指令與20,000個酬載相對時間指令之儲存空間,並同時監控512個衛星健康狀態點。飛行軟體原始程式碼達120,000行,執行檔大小達750K位元組,存放於衛星電腦記憶體,尚餘一倍的裕度,於必要時能從地面將軌道上之飛行軟體全部改版。飛行軟體架構分4層如下圖:

飛行軟體經過下列三階段之測試,以驗證各項功能並確保軟體品質。

1.單一功能模組之功能及界面模組測試。
2.本中心所開發之「軟體功能驗證平台」,進行高精度次系統功能驗證測試(如下圖)。

3.利用福衛五號工程發展體(EDM)平台,以衛星電腦工程體作為測試實體,並結合其它衛星次系統之軟/硬體模擬器,使用此福衛五號飛行軟體完成各次系統(遙測酬載除外)及元件之綜合功能,及失效偵測、隔絕與回復(FDIR)處理測試。遙測酬載相關飛行軟體之最後驗證工作將於2014年第四季完成。

遙測酬載電子單元(RSI EU)

此項由太空中心、中山科學研究院和鑫豪科技公司合作完成。太空中心負責系統設計、需求訂定、電子零件提供及太空環境驗證,鑫豪公司研發固態記錄器,中科院則負責整體研製和功能測試。

遙測酬載電子單元係自主研發遙測酬載之電子控制與數位信號處理裝置,能處理來自CMOS型聚焦面組合取像之影像信號輸入,同時包括全色及彩色影像各4億八千萬位元/秒(480Mbps),經過小波運算壓縮與高速儲存於1千2百80億位元 (128Gbits)之固態資料記錄器,再以速率達1億5千萬位元/秒(150Mbps)送交X頻段通信次系統下傳至地面影像接收站,並具檔案管理、記憶體檢測及省電模式等功能。目前進入最後測試階段,飛行體將遞交並安裝於遙測酬載,預計2014年第四季之前完成遙測酬載次系統全功能測試。

遙測酬載電子單元內外觀圖如下:

遙測酬載電子單元由下列電路板構成:


遙測酬載電子單元電路板連線圖

CMOS型聚焦面組合(CMOS Type FPA)

CMOS型聚焦面組合由微像公司研製,太空中心與晶片中心進行獨立驗證工作。可感應4彩色(紅外、紅、綠、藍)光及1全色(黑白)光等五段光波,藉由衛星繞行地球過程,將線型CMOS感測器陸續感應到的條狀地表信號依序儲存後下傳至地面,處理為所遙測寬度24公里、解析度為4米彩色光及2米全色光之帶狀地表影像。

CMOS型聚焦面組合外觀如下圖。


聚焦面組合外觀圖

遙測酬載CMOS型聚焦面組合係自主研發遙測酬載之信號感測裝置,其核心元件為太空規格CMOS感測器C468,由4個世界首創CMOS單晶片拼接(Stitch)而成120mm × 23.2 mm 之大型CMOS複合系統(MSoC Chip)感測IC,每個CMOS複合系統單晶片包含5套不同光波段之的線型光感測器,4條彩色線型光感測器,各含6,000個20微米像素及1條全色線型光感測器,含12,000個10微米像素,已經通過耐輻射劑量照射及高能粒子撞擊及全部太空環測,目前進入最後遞交準備階段。由製程中挑選最好的CMOS感測器C468飛行晶片1顆,將安裝於CMOS型聚焦面組合遞交再安裝於遙測酬載,於2014年第四季之前完成遙測酬載次系統全功能測試。

C468晶片及封裝晶片成品如下圖。