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传统与现代太空电子技术走向融合

时间:2019-05-21 作者:Ross Bannatyne 阅读:
传统与现代太空电子途径的融合,让设计团队得以结合最新的先进COTS技术,成功实施抗辐射的功能基础…

在游戏、手机、穿戴式设备和物联网(IoT)等消费电子产品蓬勃发展之前,曾经有一段时间由政府/军事电子领域消耗大部份的半导体产业产出。这使得军事和太空机构对于半导体产业所开发的新产品类型与制造工艺存在着重大影响力。

然而,今非昔比,由于军事/航空市场的规模已不再大到足以吸引半导体供应商持续对其进行投资。这导致相关产业继续沿用多年前开发的传统元件,以及用于太空的商用现货(COTS)芯片。对于太空电子系统设计人员来说,这可不是什么好消息。

军事和主要的航空供应商仍然采取保守的方法来使用COTS,因为他们的任务保证模式非常严格,而且其一向严苛的元件认证措施经多年来证实非常有效。然而,“新太空”(new space)开发人员社群对于风险具有更高的容忍度,预计将大幅降低元件成本。

由于故障成本降低,加上小型卫星(SmallSats)星群可用于提供系统级冗余,以覆盖单个SmallSat单元的故障,小型卫星正日益普及,并进一步刺激了这一途径的进展。(SmallSat通常定义为重量低于300公斤,但多半更轻得多;另请参阅“What are SmallSats and CubeSats?”)

当今的情况可简单分成两大基本阵营。“传统”阵营对于故障或失效的容忍度较低,更愿意花大钱投资在一些超越先进技术水准的辐射强化(抗辐射)、专用半导体上。“新太空”阵营则拥有更轻松的任务保障方法,并愿意使用搭载最新技术的低成本COTS元件。有鉴于绝大多数新型太空卫星用于较少极端辐射环境的低地球轨道(LEO),引发灾难性辐射故障的风险也较低(LEO被认为介于离地球约300公里至1,000公里之间,并存在于在Van Allen内部辐射带下方)。

根据一些迹象显示,传统阵营的成员们开始松绑对于半导体产品认证的严格要求,以便利用最新技术。这表现在他们愿意在太空任务中使用塑料封装,而不再仅限于传统的陶瓷封装。此外,也有迹象显示,新的太空阵营开始体认到COTS产品明显存在风险,因而一直审慎地在太空电子系统中部署抗辐射元件以提高可靠性。这一切的结果是,传统和新的太空工程师之间正逐步融合于一种新的途径——采用更具成本效益但仍具抗辐射功能的电子元件,以打造太空系统。

为了降低传统抗辐射元件的高成本,近年来已经推出了许多举措,包括利用大量商用晶圆代工厂的创新强化技术、可用于抗辐射IC的商用IP (如Arm处理器)应用,以及目前为了打造适用于太空的塑料封装规格而采取的步骤。这些措施都大幅降低了抗辐射元件的成本,进一步促进传统和新太空开发人员需求的融合。

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传统和新型太空电子技术的融合(来源:VORAGO Technologies)

一种日益受关注的途径是明智且审慎地使用抗辐射元件来构建关键的系统功能,并作为安全监控器或监视器,以监督系统中使用的COTS元件是否正确运作(例如CubeSat)。这种融合的途径让设计团队得以结合最新且最先进的COTS技术,以实施抗辐射的功能基础。例如,在其机载摄影机需要进行高速影像处理的小型卫星中使用COTS图形处理器(GPU)。

COTS GPU本身无法减轻辐射效应,但可以透过抗辐射元件进行控制,以确保其正常运作,并在其操作受到辐射效应干扰时进行重置。
使用多个COTS元件版本来实现冗余仍然是一种普遍的作法,但考虑到元件尺寸,这将会变得越来越具挑战性。将许多功能压缩到CubeSat封装中,有助于降低发射成本并启动更多的运载火箭选项。但是,如果将高度冗余设计到系统中以补偿COTS元件使用,那么要将更多功能压缩到有限空间中并不容易。

影响太空电子系统总成本和可靠性的主要因素是软件。无疑地,使用最新的商业软件开发工具是创建强大程序代码的主要优点。当创建并验证可靠的软件模组时,能够重覆使用它们也是一大好处。特别是,新的太空社群已经表现出使用软件可编程架构的趋势,这种架构可以非常快速地开发、调整和重用。透过重覆使用已知良好的模组,可以缩短产品开发时间以及提高可靠性。

不同的小型卫星成本可能会有很大的差异,具体取决于由谁开发、谁来发射、将在哪里运行,以及预计存在多长的时间等等。当进一步分析整个开发、测试、发射和营运相关成本,仅使用COTS元件当然可节省数千美元,但增加一些抗辐射元件也只占到整个预算中相对较小的一部份。许多小型卫星开发人员已经意识到这一点,并已采取一些措施以升级其任务保证,为其关键任务功能选择性地实施抗辐射元件。随着下一代抗辐射元件的可用性和成本持续进展,这一趋势将加速。

(参考原文:The Convergence of Traditional and New Space Electronics Solutions,由Susan Hong编译。)

 

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