未來在外太空探測中所使用的科學工具將產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。為了處理這些數(shù)據(jù)，星載計算機需要具備更高的運算能力。然而，極端的工作環(huán)境成為了改善這些設(shè)備性能的最大挑戰(zhàn)。

太空環(huán)境存在一些特殊情況，可能影響甚至降低太空材料的機械特性，而對整個設(shè)備的結(jié)構(gòu)運作產(chǎn)生負面影響。

太空輻射流主要由85%的質(zhì)子和15%的重核組成。輻射效應可能使設(shè)備性能產(chǎn)生退化，受到干擾，甚至運行中斷。合格的太空元器件最重要的就是能確保長期可靠的運行。

太空輻射

太空——包括地球大氣層以上的區(qū)域——充斥著許多可能損壞半導體器件的高能粒子，例如，范艾倫輻射帶（Van Allen belt）中的電子和質(zhì)子、銀河宇宙射線、X射線和紫外線等。一般來說，有兩大類效應——累積效應和單粒子事件效應——會導致微電子電路工作參數(shù)發(fā)生變化（圖1）。

圖1：大量離子攻擊CMOS存儲單元的剖面圖。

帶電粒子和γ射線會產(chǎn)生電離，進而導致器件的參數(shù)發(fā)生改變，這種改變可以根據(jù)電離輻射總劑量（TID）參數(shù)來估算。所吸收的電離輻射劑量通常以rad（即1g材料吸收100erg能量）為單位進行計量（近年來rad逐漸被gray取代：1rad=0.01Gy）。由于每單位質(zhì)量的能耗因材料而異，因此沉積劑量的材料總是以計量單位來指定，例如rad（Si）或rad（GaAs）。

TID是由于太陽活動而長期暴露在電子和質(zhì)子下的累積效應。供電電流、擴散電流、閾值電壓和傳播時間等元件參數(shù)的逐漸退化，都是TID故障的特征。航天器和衛(wèi)星要運行多長時間，以及軌道高度是多少，決定了元器件必須滿足的電離輻射劑量水平。典型的輻射量在10到100krad（Si）之間。

累積效應是指經(jīng)年累月的損害累積到某一天，而使太空設(shè)備內(nèi)的電子元件終于無法使用。這些損害在實驗室中是可以預測的，我們可以通過這一信息，為每架太空飛行器設(shè)定一個可行的平均壽命。

另一方面，單粒子效應（SEE）卻是不可預測的，它隨時可能出現(xiàn)，具體取決于電子設(shè)備存放的位置。SEE分為兩類：瞬態(tài)效應（或軟錯誤），如單粒子瞬態(tài)（SET）和單粒子翻轉(zhuǎn)（SEU）；災難性效應，如單粒子燒毀（SEB）、單粒子柵穿（SEGR）和單粒子鎖定（SEL）。

每個單粒子效應的產(chǎn)生，都是因為粒子通過器件之后，在敏感區(qū)域積累了電荷。根據(jù)庫侖定律，半導體器件中若有粒子通過，則將產(chǎn)生一個直徑從幾百納米到幾微米的電子空穴對。

根據(jù)不同的因素，粒子可能導致無法觀察到的效應（SET）、微處理器電路工作受到瞬態(tài)擾動、邏輯狀態(tài)發(fā)生變化（SEU、SEL），或者對器件或集成電路造成永久性損壞（SEGR、SEB）。

目前采用的預防措施是避免將衛(wèi)星置于范艾倫輻射帶區(qū)域，也可在太陽風流量增加期間關(guān)閉它們。業(yè)界也制造和使用了防護罩來抗輻射（但它們有時可能很重）。但最重要的是在設(shè)計中采用抗輻射元器件，并在實驗室對其進行測試（圖2）。

圖2：抗輻射器件示例。（圖片來源：Aeroflex）

衛(wèi)星架構(gòu)

現(xiàn)代通信衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)設(shè)計有利于將其置于合適的軌道，同時有助于實現(xiàn)其功能。衛(wèi)星的中心部分包括了大部分電子設(shè)備、推進系統(tǒng)及相應的燃料儲罐（圖3）。

衛(wèi)星中使用太陽能傳感器來識別太陽的位置，以此作為衛(wèi)星定位的主要參考點。推進系統(tǒng)用于將衛(wèi)星保持在適當?shù)奈恢谩Ｆ浞掌脚_或模塊則提供控制衛(wèi)星方向、推進、熱調(diào)節(jié)和功率的功能。控制系統(tǒng)的典型元器件包括慣性測量單元（IMU），以及用于處理信號和監(jiān)測衛(wèi)星位置的電子元器件。陀螺儀用于確保衛(wèi)星指向的穩(wěn)定性。對于通信系統(tǒng)，有效載荷包括天線、低噪聲放大器（LNA）和本地振蕩器。如果是GPS導航衛(wèi)星，還包括原子鐘、信號發(fā)生器和放大器。

圖3：衛(wèi)星結(jié)構(gòu)示意圖。（圖片來源：NASA）

控制系統(tǒng)

在航空航天和國防市場用電子系統(tǒng)方面，電源控制和散熱管理可能是最關(guān)鍵的問題。電力電子領(lǐng)域的開發(fā)趨勢是在縮小設(shè)備尺寸的同時提高其效率，以便使以熱耗散損耗掉的功率隨著“處理”熱量的區(qū)域縮小而減少。

衛(wèi)星的散熱控制系統(tǒng)需要精心設(shè)計，才能讓衛(wèi)星的所有部分在任務的所有階段均保持在可接受的溫度范圍。散熱控制對于確保最佳性能和任務成功至關(guān)重要，其涉及的幾個元件通過比例積分微分（PID）算法來管理。

盡管必須滿足熱約束條件，但不能以降低性能為代價，因此，散熱管理系統(tǒng)的精密設(shè)計和操作十分必要。

PID控制是各行各業(yè)普遍接受的控制算法，由以積分方程表示的三個參數(shù)（P、I和D）所組成。

PID控制器的目的在于保持輸出穩(wěn)定，以使過程變量或反饋值與設(shè)定點或期望輸出之間的誤差為零。其控制行為基于三種配置：比例、積分和微分。比例控制器（或稱P控制器）提供與誤差e（t）成比例的輸出。

由于P控制器存在局限——過程變量和設(shè)定點之間總是存在偏差——因此需要采用積分控制器（或稱I控制器）來消除這一穩(wěn)態(tài)誤差。當出現(xiàn)負誤差時，積分控制會降低其輸出。它會限制響應速度并影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

I控制器無法預測未來的誤差行為，它通常在設(shè)定點發(fā)生變化后立馬作出反應。微分控制器（或稱D控制器）則通過預測未來的誤差行為解決這一問題，其輸出為誤差隨時間的變化率乘以導數(shù)常數(shù)。微分控制可預測系統(tǒng)行為，從而可改善穩(wěn)定時間和系統(tǒng)的穩(wěn)定性（圖4）。

圖4：PID控制系統(tǒng)方框圖。（圖片來源：ADI）

更多數(shù)據(jù)

人造衛(wèi)星運營商對數(shù)據(jù)的渴望永無止境，因此明確要求衛(wèi)星設(shè)計應具有更高的傳感器能力。這導致過多的信息產(chǎn)生，使得對衛(wèi)星本身完成信號處理的能力提出了更高的要求，從而使下行鏈路帶寬得到有效利用。Interstellar項目旨在改善航空航天與國防應用的ADC/DAC性能。這些器件將促進衛(wèi)星通信、導航和科學任務的各種數(shù)據(jù)采集鏈解決方案。作為Interstellar項目的一部分，Teledyne e2v的EV12AQ600是首款帶有交叉點開關(guān)（CPS）的12位ADC。因此，該ADC可同時運行其四個內(nèi)核，采樣率超過6GSps。

執(zhí)行遙感任務的衛(wèi)星在信號處理上面臨重大瓶頸。針對太空應用進行封裝和測試的最大FPGA，歷來是采用靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）設(shè)計。但SRAM單元中的任何輻射都可能導致FPGA設(shè)計配置發(fā)生變化，從而導致系統(tǒng)故障。設(shè)計人員不得不采取更多緩解措施，包括讀取和校正FPGA配置存儲器。基于閃存的FPGA提供了解決此問題的新方法——它同時使用了針對信號處理應用優(yōu)化的架構(gòu)和65nm Flash工藝，可有效防御因太空輻射而引起的配置損耗。例如Microsemi基于耐輻射閃存的FPGA系列產(chǎn)品（RTG4系列），配備了針對信號處理應用優(yōu)化的高性能架構(gòu)。Xilinx抗輻射和耐輻射FPGA（如Virtex-5QV）則滿足極端環(huán)境下的性能、可靠性和生命周期要求，與傳統(tǒng)的ASIC相比 ，可實現(xiàn)更短的設(shè)計時間、更低的成本，降低項目風險，并提供更大的靈活性。

航空航天一直是最先進的技術(shù)領(lǐng)域。即便是在一系列用于執(zhí)行關(guān)鍵任務的衛(wèi)星上所使用的簡單連接器，也完全無法承受可靠性出現(xiàn)任何問題。隨著太空中需要管理的數(shù)據(jù)量日益增加，F(xiàn)PGA在太空中的應用也越來越多。現(xiàn)代抗輻射FPGA可確保可靠工作以及任務成功。