[[alternative]]The integration and analysis of radiation effect for onboard computer in microsatellite

碩士[[abstract]]本論文分為兩個部分，包括1.衛星電腦MPC555與電子元件之輻射效應分析，2.衛星電腦MPC555、電源系統與地面站之軟、硬體整合。在太空研究或通訊中，電子元件與子系統在飛行軌道必定經歷的太空環境的考驗，此舉無疑是影響其任務成敗的重要關鍵之一，而太空環境中惡劣的輻射環境更是對電子系統最大的挑戰。因此在輻射研究部分探討太空輻射環境的要素，以TUUSAT-1衛星為例，評估在任務壽命內所承受的輻射總劑量。並且針對衛星電腦MPC555在模擬太空環境下之總劑量效應(total dose effect)進行評量系統之建立，輻射源為清華大學原科中心鈷六十γ射線。 在衛星電腦MPC555、電源系統與地面站之整合部分，設計出衛星在運行模式下所要執行的任務與流程，包括督控及管理衛星的運作、資料與訊息的處理與儲存、接收並執行地面站之命令與星上突發狀況的處理能力，以符合太空任務的需求。[[abstract]]This thesis is divided into two parts; first, the analysis of satellite onboard computer MPC555 and electronic devices radiation, second, the integration among MPC555, power supply unit, and ground station. In the space research or communication, electronic devices, and subsystem must be experienced through the test of space environment in flight orbit which is one of the most important key reasons to decide whether its mission success or not, and the inclement space radiative environment is the biggest challenge to electronic subsystem. Therefore, I am going to analyze space radiation environment as my radiation research part. In the case of TUUSAT-1 satellite, evacuating how much radiation it can take within its mission lifetime, and establishing a evacuation system under the simulated space environment with total doe effect; radiation source is (co-60) γ-ray from Nuclear Science and Technology Development Center, Nation Tsing Hua University. Trying to design the execution mission and process under the satellite orbit pattern among satellite onboard computer MPC555, power supply unit, and integration station is to fit in with space mission demand, including supervising and managing satellite operation, handling and archiving information and message, and receiving and executing the ground station command and the satellite bursting incident.[[tableofcontents]]目錄 I 圖目錄 IV 表目錄 VII 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 衛星電腦發展現況 2 1.3 研究動機 5 1.4 論文架構 6 第二章 衛星任務與電腦子系統 7 2.1 前言 7 2.2 衛星任務 7 2.3 微衛星系統架構 8 2.4 嵌入式系統 10 2.5 即時作業系統 11 2.6 MPC555 13 第三章 太空輻射環境評估 16 3.1 前言 16 3.2 太空輻射環境因素 16 3.2.1 太陽風(Solar Wind) 16 3.2.2 凡亞倫輻射帶(Van Allen Belts) 17 3.2.3 宇宙射線(cosmic radiation) 18 3.2.4 太陽射線 18 3.2.5 軌道中衛星輻射總劑量 19 3.3 國內衛星輻射總劑量評估 22 3.3.1 蕃薯號衛星(YamSat) 22 3.3.2 Argo衛星 23 3.3.3 TUUSAT-1衛星 25 第四章 電子元件之輻射效應 28 4.1 前言 28 4.1.1電子-電洞對 28 4.1.2 吸收游離劑量 29 4.2 總劑量效應(total dose effect) 29 4.2.1 MOSFET之總劑量效應 29 4.2.2 不同電子元件之輻射效應機制 32 4.3 單質點效應(single event upset) 34 4.3.1 局部能陷(corrupting states) 34 4.3.2 CMOS閂鎖現象 35 4.3.3 其他電子元件之單質點效應 36 4.4 SRAM之輻射效應 37 4.4.1 SRAM輻射效應原理 37 4.4.2 SRAM輻射效應特性與失誤類型 38 第五章 MPC555輻射效應與太空輻射環境模擬測試 40 5.1 前言 40 5.2 鈷六十射源校正 40 5.2.1 化學劑量法 40 5.2.2 鈷六十照射廠劑量率 40 5.3 輻射效應實驗 43 5.3.1 實驗目的 43 5.3.2 實驗方法 43 5.3.3 實驗結果與討論 46 5.4 太空環境模擬測試 51 5.4.1 測試目的 51 5.4.2 測試方法 51 5.4.3 測試結果與討論 55 第六章 MPC555與電源子系統整合 57 6.1 前言 57 6.2 硬體整合的分析與規劃 57 6.2.1 硬體介面設計 57 6.2.2 MPC555腳位的規劃 58 6.3 飛行軟體與Power Monitor Task整合 60 6.3.1 軟體的開發環境與程序 60 6.3.2 Power Monitor Task 64 6.3.3 飛行軟體 66 6.4 飛行軟體實驗 69 6.4.1 實驗流程設計 69 6.4.2 實驗模擬過程 71 第七章 總結與未來展望 76 附錄一：輻射線的特性 78 附錄二：輻射線有關之諸單位 83 附錄三：CodeWarrior IDE 5.5 程式燒錄PB-0555步驟 85 參考文獻 93 圖目錄 圖1-1 福爾摩沙衛星一號 3 圖1-2 福爾摩沙衛星一號衛星電腦 3 圖1-3 福爾摩沙衛星三號 4 圖1-4 福爾摩沙衛星三號衛星電腦 4 圖1-5 蕃薯號衛星 5 圖2-1 微衛星系統架構圖 9 圖2-2 嵌入式衛星電腦系統架構圖 11 圖2-3 MPC555內部模組方塊圖 15 圖3-1 太陽日暈簡略圖 17 圖3-2 太陽風對地球磁場圈影響圖 18 圖3-3 典型的太陽粒子效應發展趨勢 19 圖3-4 低高度極軌道之輻射劑量率與鋁殼厚度函數 20 圖3-5 地球同步軌道之輻射劑量率與鋁殼厚度函數 21 圖3-6 國家太空中心及支援團隊製作的YamSat 22 圖3-7 YamSat一個月總劑量與鋁板厚度曲線 23 圖3-8 Argo外觀示意圖 24 圖3-9 Argo每年總劑量與鋁板厚度曲線 25 圖3-10 微衛星團隊製作的TUUSAT-1衛星 27 圖3-11 TUUSAT-1輻射總劑量與鋁板厚度曲線 27 圖4-1 MOSFET電子元件示意圖 30 圖4-2 CMOS元件閂鎖現象機制 36 圖4-3 SRAM的物理結構受輻射照射所產生的光電流走向圖 38 圖5-1 輻射效應實驗之架構圖 45 圖5-2 實驗設備實體圖(一) 45 圖5-3 實驗設備實體圖(二) 46 圖5-4 照射前後耗電量電流值 47 圖5-5 室溫退火對555light電流值影響 48 圖5-6 555light工作溫度 49 圖5-7 PB-0555工作溫度 50 圖5-8 YamSat太空輻射環境模擬測試 52 圖5-9 環境測試程式流程圖 53 圖5-10 PB-0555與Led燈實體圖 54 圖5-11 環境測試實驗架構圖 54 圖5-12 環境測試實驗設備實體圖 55 圖5-13 PB-0555輻射環測前後工作電流 56 圖6-1 衛星系統方塊圖 57 圖6-2 電源子系統連接阜與電腦系統元件整合 59 圖6-3 衛星電腦系統之開發環境 60 圖6-4 CodeWarrior開發環境的視窗介面 62 圖6-5 軟體程式開發流程圖 63 圖6-6 編譯程式實際流程 63 圖6-7 Power Monitor Task流程 65 圖6-8 飛行軟體模式切換方塊圖 67 圖6-9 飛行軟體運作模式下之三個層次 68 圖6-10 模擬衛星軌道運行 70 圖6-11 飛行軟體實驗架構與設備圖 71 圖6-12 地面站軟體展現實驗結果(一) 72 圖6-13 地面站軟體展現實驗結果(二) 73 圖6-14 地面站軟體展現實驗結果(三) 73 圖6-15 地面站軟體展現實驗結果(四) 74 圖6-16 地面站軟體展現實驗結果(五) 75 圖6-17 地面站軟體展現實驗結果(六) 75 附圖1 光電效應 81 附圖2 康普頓效應 81 附圖3 電子對生成 82 附圖4 燒錄流程圖 92 表目錄 表1-1 衛星依重量的分類 2 表1-2 衛星電腦系統架構比較 5 表2-1 TUUSAT-1衛星之軌道參數 8 表3-1 YamSat一個月總劑量與鋁板厚度 23 表3-2 YamSat、Argo、TUUSAT-1衛星之比較 26 表3-3 TUUSAT-1一年總劑量與鋁板厚度 27 表4-1 半導體材料中產生電子-電洞所需能量 28 表4-2 電子元件之輻射效應機制 33 表5-1 原科中心同位素組鈷-六十照射廠劑量率表 41 表5-2 劑量率變化與日期之對照表(2006/04/26) 42 表5-3 照射實驗的預估表 44 表5-4 照射前後耗電量電流值 47 表5-5 室溫退火對555light電流值影響 48 表5-6 300秒穩定後555light工作溫度 49 表5-7 300秒穩定後PB-0555工作溫度 50 表5-8 環境模擬實驗的預估表 52 表5-9 PB-0555輻射環測前後工作電流 56 表6-1 MPC555腳位規劃 58 表6-2 應用工作簡介 68 表6-3 地面站命令功能 70 附表1 電磁輻射線之波長與能量比較 80[[note]]學號: 693340167, 學年度: 9