星载低能离子能谱仪地检系统设计与实现

摘要

空间环境中存在着大量的低能离子，这些离子对人类生活有着重要影响，通过对其进行探测，能够帮助人类认识太阳活动机制及太阳活动对地球磁层的影响。低能离子能谱仪的工作环境为地球同步轨道(L=6.6)，其探测能量段为0.1～18keV，局地覆盖能量相对较低的环电流离子，能够直接或者间接地推演环电流离子的全球分布，服务于空间天气监测和预警。另一方面，波粒相互作用是内磁层粒子加速和损失的主要因素。低能离子能谱仪能够直接测量离子的相空间密度分布，实现在三轴稳定卫星上利用单台仪器完成对离子的半空间能谱的探测，可以用来分析相关等离子波动的产生和分布特征，进而理解辐射带/环电流粒子的加速/损失过程[1]，具有较重要的科学意义。本研究课题根据低能离子能谱仪搭载任务需求，对载荷地面检测系统进行了研究与研制，为低能离子能谱仪研制工作中的调试、测试和性能标定实验提供了有力保障。
　　本文对星载低能离子能谱仪地检系统需求进行了分析并介绍了地检系统工作原理，其中地检数据管理电路板以Microsemi SmartFusion2系列FPGA芯片为控制核心，通过FPGA控制USB接口实现与地检上位机软件的通信，载荷数据通过LVDS接口上传到地检数据管理电路板，数据注入由FPGA打包成固定格式然后通过RS-422接口下发至载荷。地检上位机软件基于NI Labwindows/CVI平台设计开发，具备数据采集、解析，在线状态监测，离线数据分析、EEPROM（Electrically Erasable Programmable read only memory，电可擦可编程只读存储器）自动配置功能，在节省了能谱仪研制过程中的人力的同时提高了可靠性。论文提出的设计方案对于地面检测系统具有很好的适用性和扩展性，稍作修改便可应用于不同搭载项目的地检系统设计，对于其他工程项目具有参考和借鉴意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．1．1 太阳活动

1．1．2 太阳活动的影响

1．1．3 太阳风探测仪器

1．2 地面检测系统的研究与意义

1．3 地面检测系统研究现状

1．4 论文的研究内容与结构

1．5 论文的主要贡献

第二章 系统方案设计与工作原理

2．1 功能需求

2．2 接口要求

2．3 方案设计

2．3．1 地检数据管理板控制单元选择

2．3．2 地检上位机软件开发平台选择

2．3 工作原理

2．3．1 数据采集

2．3．2 数据注入

第三章 地检系统研制

3．1 硬件总体结构设计

3．1．1 电源模块

3．1．2 LVDS模块

3．1．3 RS-422模块

3．1．4 USB模块

3．1．5 FPGA模块

3．2 硬件逻辑设计

3．3 上位机软件设计

第四章 系统调试与验证

4．1 系统调试

4．1．1 静态调试

4．1．2 动态调试

4．2 系统验证

4．2．1 数据接收与存储

4．2．2 数据注入

4．2．3 应用测试

第五章 总结与展望

附录

参考文献

致谢

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