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。

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.

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

[1] http://www.nspo.gov.tw/ (2006/06/04)
[2] 洪祖昌、馬德明、王文俊、莊繞棠、蕭述三、李世榮、林清  
    一、董必正 , “小（微）衛星總體設計與系統工程分析研究計
    畫” , 計畫編號 NSC 87-2612-E-008-006 , 國科會專題研究 
    報告 , 1998
[3] 鄭詠正 , ”微衛星通訊與電腦子系統之設計與整合測試 ” , 
    碩士論文 , 淡江大學機械系 , 2003
[4] 探矽工作室 , “ 2002 嵌入式系統開發聖經” , 學貫行銷股
    份有限公司 , 2002
[5] Jean J.Labrosse原著 ,黃文增譯 , ”Micro C/OS-II”：即時
    作業系統核心” , 全華科技圖書股份有限公司 , 2005
[6] 羅智豪 , ”衛星電腦之嵌入式即時作業系統研究設計” , 碩
    士論文 , 淡江大學機械系 , 2004
[7] 李文強 , ”微衛星電腦系統之即時功能與飛行軟體規劃” , 
    碩士論文 , 淡江大學機械系 , 2005
[8]http://www.e-
   works.net.cn/ewk2004/ewkArticles/452/Article16766.htm 
   (2006/06/04)
[9]http://www.e-
   works.net.cn/ewk2004/ewkArticles/452/Article16924.htm 
   (2006/06/04)
[10] Motorola Inc. ,“MPC555 USER’S MANUAL “, October 
   2000
[11] Motorola Inc. ,“Programming Environments Manual For 
   32-Bit Implementations of the PowerPC Architecture”, 
   December 2001
[12] http://www.ee.ualberta.ca/~jasmith/mpc555/  
   (2006/06/04)
[13] 白光弘 ,”太空通訊原理”, 東華書局 ,2005.
[14] 蔡春鴻 ,”電子元件與次系統在太空輻射環境之可靠度評
   量”, 行政院國家科學委員會專題研究計畫 ,1996.
[15] Wiley J.Larson and James R.Wertz ,” Space Mission 
   Analysis and Design Second Edition ” ,1993.
[16] 林秋安 ,”放射性同位素利用技術”, 東興文化出版
   社 ,1989.
[17] 國家太空計畫室 , ”YamSat Critical Design Review 
   Product Assurance Report” , 2001
[18] 國家太空計畫室 , ”YamSat CDR - Bus Structure ” , 
   2001
[19] K.S. Chang-Liao , C.Y. Lu , K.C. Wu , H.L. Perng , 
   S.M. Chi , M.C. Hsu , C.C. Hsu , C.F. Lee ,”Analysis   
   and Test of Radiation Total Dose Effect on YAMSAT”,2002
[20] 張志立、陳福鳳 ,”台灣下一顆人造衛星: Argo任務”, 國研
   科技 , 國家實驗研究院 , April 2006.
[21] 國家太空中心 ,”Payload/Component Environmental 
   Specification Document”, 2005.
[22] 張廖貴術、盧俊源、林崇閔 ,”積體電路元件輻射傷害之測
   量、模擬與減少研究”, 行政院國家科學委員會專題研究計
   畫 ,2004.
[23] Joseph R. Srour, Fellow, IEEE , and James M. 
   McGarrity, Fellow, IEEE ,”Radiation Effects on 
   Microelectronics in Space”, IEEE Trans. Nucl. Sci., 
   vol. 76, NO. 11, November 1988.
[24] 張廖貴術 ,”太空電子元件及積體電路抗輻射評估”, 行政院
   國家科學委員會專題研究計畫 ,1995.
[25] Ben G. Streetman and Sanjay Banerjee 著 ,吳孟奇、洪勝
   富、連振炘、龔正 譯 ,”半導體元件”, 東華書局 ,2001.
[26] 國立清華大學原科中心同位素組 ,”原科中心同位素組鈷-六
   十照射場劑量率表”, February 2006.
[27] Axiom anufacturing ,”PB-555-ED”, 1999
[28] 國家太空計畫室 ,”蕃薯號衛星計畫介紹”, 2002
[29] 林烟桂 ,”C語言入門” , 松崗電腦圖書資料股份有限公司, 
   2001
[30] 王宇輝 , ”Microsat微衛星電源系統模組化設計與製作” , 
   碩士論文 , 淡江大學機械系 , 2004
[31] Metrowerks Co. , ”CodeWarrior Development Tools IDE 
   5.1 User Guide ” , October 2002
[32] Motorola Inc. , ”CodeWarrior Development Studio 
   MPC5XX Edition Version 8.1 Targeting Manual”, March 2004
[33] http://www.wuerz-elektronik.com/  (2006/06/04)
[34] http://www.pemicro.com/  (2006/06/04)
[35] 劉賢竹 ,”微衛星通訊系統整測及其軟體酬載開發” , 碩士
   論文 , 淡江大學機械系 , 2006
[36] 范逸之、江文賢、陳立元 ,”C++ Builder與RS-232串列通訊
   控制” , 文魁資訊股份有限公司 , 2002