基于COTS器件的微纳卫星星载计算机故障建模和注入技术研究(4)
目前世界较为著名的CubeSat项目包括：一、由比利时冯卡门流体动力学研究所牵头、欧盟出资推动的QB50项目，联合了欧航局ESA、荷兰代尔夫特理工大学、英国萨瑞大学空间中心、美国斯坦福大学等全球70多所空间科研机构。项目计划于2015年发射50颗CubeSat组成环球网络，用于低热大气层的中性粒子和带电离子的分布、阻力参数、气温与磁场的多点在轨长期测量以及卫星再入大气层过程的状态研究。[ ]二、美国陆军太空与导弹防御司令部与Microcosm公司于2009年签署协议合作开发NanoEye CubeSat（纳眼军事卫星）。这种卫星由一枚望远镜载荷与两个分装在望远镜两侧的三单元CubeSat组成。质量约不到15kg，最佳运行高度在近地轨道200到300km处，地面站发出指令后一小时可收到分辨率在0.5m以内的观测图像。包括载荷、卫星体、发射和运行成本在内，单颗卫星任务花费不足5百万美元，在轨寿命大为6个月到1年。除成本低之外，操作也十分方便，地面人员只需像操作现役无人机一样操作NanoEye 即可。[ ]三、美国宇航局NASA于2013年11月21日成功发射一枚三单元大气观测卫星FireFly CubeSat。该项目的主要研究目标是地球大气中发生闪电时释放地球伽马射线闪（terrestrial gamma ray flashes,TGFs）的产生机制。该卫星的工作周期为1年，在这一年的时间内向NASA发送了大量的观测数据。[ ]
尽管CubeSat有如此多的优点，但它也有相应的局限性。主要表现的方面包括：一、CubeSat由于尺寸和功耗的限制，一般只能执行单一任务，而且任务内容相对较简单。单颗卫星的功能局限目前正在用卫星组网编队技术弥补。二、能耗和质量的局限决定了CubeSat很少采用推力器。这造成了CubeSat的轨道控制能力和机动能力非常有限，而且不可能实现变轨运行。目前许多科研机构正在研制未推力器或电推力器，这将是未来发展的一个方向。三、工作周期比较短，一般在1年以内而且不可能循环使用。这对于某些大型长期空间项目来说，很难使用CubeSat作为主要平台。
2.2 星载计算机
星载计算机OBC是CubeSat上用于处理各种输入输出数据、与其他卫星系统或地面站进行通信的星上嵌入式计算机系统，是整个卫星系统的控制系统的核心。OBC的架构因执行任务而异，总体设计的原则是为了实现它的功能利用最大化。[ ]因此，OBC几乎表现了微小卫星的所有特点：利用上市时间短的COTS器件，功能高度集成化，结构灵活，成本低且具有很强的容错纠错能力。[ ]由于CubeSat入轨后，一旦出现功能故障是不可能去更换元器件的，因此要求CubeSat能够实现有限的自我修复和升级能力。[ ][ ][ ]
OBC必须实现的功能主要有以下几个方面：
2.2.1 处理能力
目前的姿态控制系统计算能力需要能达到80DMIPS。否则，假如姿态控制系统的输出结果延迟超过5分钟，则会导致卫星定位失败，进而导致接下来的通信失败和电池阵效率衰退。我们拿星载相机NanoCam的图像处理[ ]作为分析案例。NanoCam每秒可以拍摄两张图像，Cortex-M3 ARM处理器对这些图像进行压缩只需要317ms，并占用45KB的内存空间。[ ]那么对于其他的星上软件性能需求，Cortex-M3 ARM处理器的处理能力至少要达到1.25DMIPS/MHz，频率要大于80MHz。[ ]
2.2.2 存储能力
由于星上软件例如图像处理和姿态控制软件的需要，OBC至少要能提供32MB的RAM缓存。另外，OBC通常采用高性能的非易失性高速存储器SD闪存作为存储器，[ ]来暂时存储待发送到地面站的处理结果和发射数据。
2.2.3 外设
由于卫星任务的复杂化和多样性，卫星应该能够承载相对多样化的负载。这也意着OBC系统将灵活地携带各种外设。除了指令总线和数据总线需要一条I2C总线，GPS接收器、相机或者遥测终端也需要一条I2C总线。[ ][ ]除此之外一般还需要两条串行接口来和载荷进行通信。
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