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随着火箭探空事业的发展，探空火箭所搭载的科学试验有效载荷种类越来越多，每次任务有效载荷种类变化大、任务需求灵活多样，这就对探空火箭的服务有效载荷提出了比较高的要求。传统的基于分立系统的设计方式已经越来越不能满足探空火箭发展的需要，无法充分发挥探空火箭响应快速、机动灵活、适应性强的特点，于是本文在对探空火箭箭载综合服务系统研究的基础上，设计并实现了我国首个探空火箭箭载综合服务系统。为了提高系统的通用性和标准化水平，本文把模块化设计的思想引入到综合服务系统的设计中，并按照功能模块划分的一般原则与过程，对传统基于分立系统的探空火箭服务载荷按照功能进行重新整合，并按照功能独立、耦合性小、安装调试方便等原则重新划分成如下几个功能模块:内部接口模块、数据采集模块、数据编码模块、视频处理模块、姿态测量模块、位置测量模块、供配电模块等7个模块，其中位置测量模块采用商用OEM板，并完成了其余6个模块的设计和实现。主要研究内容包括： ⑴数据编码模块实现了对CCSDS遥测源包的RS(255，223)编码、2级交织和伪随机序列加扰。其中RS(255，223)编码器采用Berlekamp位串乘法实现，结构简单、占用资源少，为了解决其由于串行编码导致的编码速度慢的问题，在用FPGA进行编码器的实现时，对FPGA的实现架构进行了优化，在所使用的逻辑资源增加不大的情况下，达到了更高的编码速度。为了进一步提高数据编码模块的处理速度，还对串行的加扰过程进行了并行化的改造，提高了加扰速度。实际测试表明所设计的数据编码模块具有体积小、功耗低和数据吞吐率高等特点，可以满足大部分探空火箭任务的需求。 ⑵姿态测量模块采用MEMS陀螺仪和MEMS加速度计，以卡尔曼滤波算法和四元数法为核心构成了MIMU/GPS组合导航系统。其中卡尔曼滤波算法用于误差控制，用四阶龙格-库塔法解四元数微分方程进行姿态解算。这两种方法的有机结合可以使导航系统在硬件精度一定的情况下达到更好的初始对准精度和速度、更快的姿态解算速度和更高的姿态解算精度。所设计的姿态测量模块具有体积小、功耗低、对准快、安装方便灵活等优点，由于作为原理样机所采用的MEMS陀螺和MEMS加速度计的精度并不高，所以姿态的绝对精度并不高。 ⑶视频处理模块则是以FPGA+ARM为硬件架构，采用小波变换、量化、游程编码和哈夫曼编码为压缩算法，实现了4路模拟视频的采集和压缩，可以达到比较高的压缩率，通过控制算法的实时控制可以使压缩数据的输出速率保持基本恒定。此模块已经作为空间环境垂直探测项目的独立载荷系统取得成功，并传回了双臂探针式电场仪伸杆的展开照片，并捕获到了头体分离的瞬间，并据此分析出伸杆展开的大约长度。此模块具有体积小、功耗低、压缩率范围广、支持的模拟摄像通道数多等特点。 ⑷内部接口模块是此系统的智能化母板，是对普通母板的改进，除具有连接各模块的功能外，还负责对各模块的任务调度和资源分配等。通过对各模块接口的统一管理，使得整个系统功能上更灵活，各模块的安装、调试和更新换代更方便。此外，为了给以后的回收进行技术储备，模块还具有数据存储功能，采用SD卡作为数据存储介质，把要下行的包长度为436字节的CCSDS遥测源包存储到SD卡上，通过回收可以获得未经编码和加扰的原始数据。 ⑸数据采集模块是综合服务系统和被服务有效载荷的数据接口，负责采集各有效载荷的科学数据和工程参数，包括数字量和模拟量。由于模拟量比较容易受干扰，所以把数字量采集和模拟量采集进行了严格的划分，在电路上被分成了2个部分。此模块还负责接收来自火箭运控系统或地检系统的时序信号，并根据载荷需要提供火箭时序信号转发功能和开关量输出功能。数据采集模块的接口设计灵活、数据采用透明传输，只关注接口协议，而不关心具体的数据内容，所以只要接口协议一致，同一接口可以连接不同的有效载荷，在硬件上不需要做任何改动，软件上只需要少许的改动，具有很好的通用性。 ⑹供配电模块是火箭上至关重要的单元，负责对所有的箭载设备（运控系统除外，它们自备电池）提供+28V一次电源和+5V、±12V二次电源。此模块还具有加断电控制、电源切换控制以及电压/电流遥测功能。通过接收地检系统的加断电指令，可以对整个系统进行加电和断电控制。通过接收地检系统的转电指令，可以在电池供电和地面供电之间进行切换。通过电压/电流遥测功能可以实时监视电压、电流的数值，判断综合服务系统和各载荷的工作状态。 ⑺通过模块化设计的最后一步模块的集成化，实现了我国首个探空火箭箭载综合服务系统的原理样机。实际测试表明此系统具有集成化程度高、体积小、通用性强、功耗低和处理能力强等特点，将为我国探空火箭通用化、型谱化、系列化的发展做出重要贡献。