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旅行者号宇宙飞船的大脑：命令、数据和姿态控制计算机

2017年7月09日通过也许她杜波依斯

了解旅行者号宇宙飞船运行的核心计算机。

旅行者号航天器如何在太空中定位并协调它们的系统?了解宇宙飞船的大脑:指令、数据和姿态控制计算机系统。

这是旅行者号任务40周年庆祝系列的第四部分。下面将介绍本系列的其他文章：

1977年推出，航程1和2探头都是其时间的尖端技术。其核心在其核心的计算机由三个系统组成，每个系统都有双冗余，共同努力，使探针能够进入木星，土星和超越：计算机命令系统（CCS），飞行数据子系统（FDS）和姿态和铰接式控制系统（AAC）。

令人惊讶的是，即使在严酷的、有时不可预测的太空环境中旅行了40年之后，两个探测器仍能继续工作，并带来新的见解和数据。与探测器进行通信和上传新程序所花费的时间越来越长，但借助过去时代的技术，这仍然是可能的，这证明了这些航天器的工程质量。

旅行者计算机是如何形成的，这是一个引人入胜的故事。在阿波罗时代的兴奋消退之后，NASA削减了预算，克服了工程师们在探索太阳系中一些最有趣的地方时尚未遇到的挑战，这些细节肯定会让人更加欣赏旅行者计算机。

发展和管理

计算机硬件和软件的开发和管理过程可能不是过程中最激动人心的部分，但它对最终结果至关重要。

关于旅行者号计算机的最初设计决定之一是使用维京计算机指挥系统（CCS）。这不仅满足了计算机系统标准化的建议，而且也是美国宇航局在20世纪70年代阿波罗任务后削减预算的结果。在此期间，无人空间探索不再是优先事项，因此保持低成本开发对于整个项目的继续进行非常重要。

维京人的记忆。图片由国家航空和航天局．

整个航程计算机的新元素将是航班数据系统（FDS）和姿态关节控制系统（AAC）。CCS将负责FDS和AAC的命令和内存管理，该命令和内存管理需要添加MEMLOCK例程（以暗示的方式加载存储器）和用于AACS的健康监测的AACSIN例程。

旅行者号飞船上的每个计算机系统都是双冗余的——有两个CCS，两个FDS和两个AACS。CCS通常在任何时候都是开着的，但FDS通常一次只运行一个，AACS一次也只运行一个。其想法是，不积极使用的计算机系统的定期休眠将有助于维持系统的生命周期。

尽管“旅行者”号的程序和程序要复杂得多，但“海盗”号和“航行者”号最终将拥有相同的内存(略低于70kB)。机上编程允许新的程序和程序定期上传到非易失性存储器中，消除了机上需要大量内存的需求。

使用FORTRAN 5编写了用于航程探针的原始软件，然后移植到FORTRAN 77，今天在C.低水平中有一些移植，轻量级软件越来越重要，因为探针移动进一步和远离地球和沟通。变得慢。

Voyager计算机系统的管理方面还看到了对典型结构的一些变化;H. Kent Frewing是一名航天器软件工程师，将管理负责每个计算机系统负责的工程师，最多四个程序员会立即在项目上工作。板载软件设计团队汇总以指导软件开发，软件验证由能力示范实验室完成。一旦开发了初始软件，就可以使用在航天器上使用的相同配置中设置的硬件来测试和继续开发。

计算机命令系统

如前所述，Voyager CCS将与Viking CCS几乎相同，只是进行了一些修改，以允许与FDS和AACS接口。维京CCS是喷气推进实验室(JPL)实施的第一个冗余计算机系统，其相对简单的设计使其具有更大的计算能力。

维京CCS拥有两种东西:电源、处理器、缓冲区、输入和输出。CCS的每个部件都被交叉捆住，这样就可以实现“单容错”冗余，如果一个CCS的一个部件出现故障，它可以利用另一个部件中剩余的可操作部件。

CCS也可以在三种模式下运行：单个（每个CCS独立完成任务）、并行（两个CCS共同完成一项任务）或串联（每个CCS独立完成同一项任务）。在接近目标（木星、土星等）时，CCS将处于串联模式。

Viking和Voyager CC的框图。图片由国家航空和航天局．

CCS负责管理总体操作，包括程序排序、监测探测器的运行状况、与其他计算机通信以及将程序上载到内存。

双冗余系统中的两个CCS模块都是连续运行的。这可以提高处理能力，在遇到木星、土星、天王星和海王星收集数据时将变得越来越重要。

在架构层上，CCS处理器包含指令解释器、数据路径控制和串行操作的寄存器(18位累加器、12位链路寄存器、12位程序计数器、4位条件码寄存器)。指令是18位字，最有效的12位包含地址(4k的直接寻址)，最低有效的6位包含操作代码(64条指令)。

飞行数据系统

FDS是将工程和科学数据收集，格式化，并存储在航程探针上的地方，以及收集所有遥测的地方。FDS的开发始于研究生纸张，其中描述了FDS的总体要求，以及硬件或软件实现的权衡和益处，包括每个功能在每个功能中工作。

FDS最重要的考虑因素之一是输入/输出数据速率。随着传感器和数据采集硬件变得越来越复杂，传输所需信息的分辨率也越来越高。在旅行者号探测器中，如果可能的话，数据将以高速率传回地球。但是，如果无法达到此速率（例如，如果无法与跟踪站通信），则数据存储在磁带上。今天，当探测器在星际空间航行时，这些磁带仍然被反复用于探测器上的数据收集和传输。

“航行者”号FDS。图片由国家航空和航天局．

Voyager FDS将是第一个使用CMOS Volatile Memory的空间​​计算机。这是一个很大的一步，因为它是一个相当新的技术，如果电力丢失了IC，也会丢失所有内存。然而，来自提供直流电流的放射性同位素发生器的直接线用于确保CMOS IC永远不会失去电力，除非发生在发电机上的事情。它决定，如果发生的发电机已经遇到了不可操作的发电机，无论如何都不需要FDS。

CCS和FDS是分开设计的，因为FDS需要输入/输出速率，即使在计算上它们可以很容易地集成在一起。不过，旅行者探测器将是JPL为保持这些功能分离而构建的最后一个探测器。FDS与CCS一样，在飞行中可编程，允许进行优化或更改。

姿态和关节控制系统

旅行者号探测器的AAC确定方向，使其指向地球。设计者的初衷是为AACS使用一种称为“HYSPACE”（混合可编程姿态控制电子设备）的新技术。HYSPACE结合了模拟和数字元素，使用索引寄存器寻址和4字节串行结构。这允许对AAC的所有三个轴使用相同的代码。雷竞技最新app

然而，由于Viking CCS能够从零开始开发新系统并降低成本，因此团队也面临着重新使用Viking CCS进行姿态控制的压力。

最后，使用了一个修改版本的CCS，并结合了HYSPACE的一些元素，以获得索引寄存器寻址的好处。在文档中，AACS仍然被称为HYSPACE，即使它是对它的修改。

AACS有四个可执行的例程：扫描平台步进电机、推力器执行器、姿态控制律和推力器逻辑。AACS还定期向CCS发送“心跳”。

结论

旅行者探测器发展时的独特气候大大塑造了所使用的计算机系统的总体结果。重用设计并修改它们以减少成本，优化利用有限的内存，并且最大化速度而不增加功率的需求仍然存在今天现代空间项目面临的现代空间项目。

尽管如此，旅行者计算机背后的团队不仅令人印象深刻地令人印象深刻，而且他们的前瞻性和聪明的工程都支持低成本，高效和计算强大的设计，但他们的所有探测器都能够继续运作，期望将至少另一个十年来做到这一点。

来源

特色图片提供国家航空和航天局

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