如何簡化空間數(shù)據(jù)記錄

衛(wèi)星有效載荷儀器執(zhí)行的通信和成像功能變得越來越復(fù)雜。他們需要收集大量的遙測數(shù)據(jù)，以確保安全可靠的衛(wèi)星運行。

遙測是一項多方面的功能。除了監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況外，它還檢測故障，幫助在出現(xiàn)問題時將衛(wèi)星與地面站隔離和恢復(fù)，并允許衛(wèi)星自主控制有效載荷儀器的加載。這反過來又有助于功耗和散熱，這對于避免過載和保持衛(wèi)星壽命至關(guān)重要。

傳統(tǒng)上，遙測數(shù)據(jù)記錄是使用多個電路卡完成的，這些電路卡耗電且包含許多分立元件。通過利用抗輻射混合信號集成電路的最新進展，這些I/O卡的組件數(shù)量及其消耗的面積和功耗都可以顯著減少。

減少電路板空間利用率的直接好處在木衛(wèi)三激光高度計（GALA）等應(yīng)用中可見一斑，GALA是正在測試用于歐洲航天局（ESA）木星冰月球探測器（JUICE）任務(wù)的科學(xué)儀器之一，計劃于2022年發(fā)射。該高度計系統(tǒng)將通過計算激光束到達表面、反射并返回儀器內(nèi)的望遠鏡所需的時間，測量航天器與木星冰冷衛(wèi)星木衛(wèi)三、木衛(wèi)二和木衛(wèi)二表面的距離。激光高度計系統(tǒng)供應(yīng)商Hensoldt Optronics選擇LX7730遙測控制器來處理儀器數(shù)據(jù)，包括溫度、電壓和電源電流。LX7730占地面積小，可在多個閉環(huán)控制中發(fā)揮作用，這對于以低電磁干擾（EMI）水平進行精確的激光操作是必要的。定期校準(zhǔn)程序可減少溫度和壽命相關(guān)的漂移，并確保采集的數(shù)字化值具有所需的精度。

分立式解決方案的局限性和缺點

大型電路卡（通常稱為 I/O 卡）裝有分立元件，如模擬多路復(fù)用器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、電流驅(qū)動器和基準(zhǔn)電壓源，可捕獲遙測數(shù)據(jù)。這些組件捕獲不同的數(shù)據(jù)，包括電壓水平和電流消耗、溫度、機械應(yīng)變、壓力和磁場強度，這些都是監(jiān)控有效載荷健康狀況的基本參數(shù)。這些 I/O 卡通常非常大，在每個有效載荷設(shè)備內(nèi)部占用 12 到 18 平方英寸的寶貴空間。數(shù)字通道選擇器是用于通信應(yīng)用、成像或雷達應(yīng)用的信號處理系統(tǒng)的復(fù)雜有效載荷，并且通常基于機箱，需要多個 I/O 卡進行遙測。遙測 I/O 卡消耗大量電力并產(chǎn)生熱量，這大大增加了有效載荷設(shè)備的物料清單成本。此外，圍繞分立器件設(shè)計的電路卡不靈活或可配置。

減少組件數(shù)量提高可靠性

抗輻射混合信號IC技術(shù)的最新進展導(dǎo)致更好的集成，最大限度地減少了元件數(shù)量，從而減少了這些I/O卡占用的面積。多路復(fù)用器、放大器、濾波器、ADC和DAC等功能以前可以通過小規(guī)模集成和分立元件實現(xiàn)，現(xiàn)在可以封裝在一個IC中。由于電路板空間的大幅減少，現(xiàn)在可以讀取和處理與傳感器持續(xù)監(jiān)控的關(guān)鍵衛(wèi)星參數(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)。這種集成為衛(wèi)星制造商帶來了雙重好處，即由于組件更少，并且減少了篩選、測試和鑒定這些眾多組件所需的時間和成本，從而提高了可靠性，因為現(xiàn)在只需一個 IC 即可完成這項工作。美高森美的LX7730遙測控制器就是這種進步的一個例子。它將這些功能集成到緊湊的 132 引腳密封陶瓷或 208 引腳塑料四方扁平封裝中，并且符合 QML 標(biāo)準(zhǔn)，適用于最苛刻的空間應(yīng)用通常需要的 Q 類和 V 類流量。

混合信號和數(shù)字伴侶IC

FPGA，例如RTG4，可用于每個有效載荷以進行遙測處理;首先從混合信號遙測采集IC讀取遙測數(shù)據(jù)，其次使用來自混合信號設(shè)備的數(shù)據(jù)執(zhí)行處理和決策的雙重功能，第三使用現(xiàn)行命令總線協(xié)議向衛(wèi)星中央計算機報告健康狀況。FPGA通常用于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)航天器控制總線，如Mil Std 1553、SpaceWire和CAN總線，以及衛(wèi)星集成商專有的非標(biāo)準(zhǔn)總線協(xié)議。

使用高度集成的IC和FPGA，可以實現(xiàn)完整的遙測收集系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過美高森美的六傳感器演示進行演示，該演示利用該公司的RTG4 FPGA通過SPI連接到LX7730遙測控制器?？刂破?IC 從與其連接的小型傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)，并通過 GUI 在筆記本電腦屏幕上顯示測量值。FPGA 將 SPI 幀的地址、數(shù)據(jù)和讀/寫位發(fā)送到 IC，IC 將 ADC 數(shù)據(jù)返回給 FPGA。最后， FPGA 對 ADC 輸出 應(yīng)用 必要的 縮放， 并 通過 UART 將 縮放 后 的 數(shù)據(jù) 發(fā)送 到 GUI。

尺寸、重量和可靠性

最新的遙測收集解決方案大大簡化了數(shù)據(jù)記錄任務(wù)，并釋放了主處理器用于其他任務(wù)。同時，混合信號功能的高度集成大大降低了遙測記錄子系統(tǒng)的整體尺寸和重量，同時提高了可靠性，從而滿足了當(dāng)今衛(wèi)星系統(tǒng)的三個關(guān)鍵要求。

審核編輯：郭婷