小卫星技术介绍系列文章

卫星“司令官”——综合电子学系统（四）

卫星的大脑—综合电子学系统的发展趋势

前面的文章介绍了综合电子学系统的基本任务、技术指标，并以某颗卫星为例，介绍了综合电子学系统的组成，本篇文章主要介绍综合电子学系统的发展趋势。

随着卫星事业的发展，综合电子学系统一直以来有两个主要的发展趋势。一方面是随着卫星任务越来越复杂，功能越来越强大，寿命要求越来越长，需要不断提高综合电子学系统的可靠性和性能。另一方面，卫星预算不断压缩，需要尽量降低成本，采用低成本成熟技术，易于开发的系统，利用开源软件和硬件，为空间系统的开发提供了一个简单的入口。具体来说，主要包括以下几个发展方向。

1.低成本处理器的广泛应用

综合电子学的核心是微控制器，随着微控制器的不断发展，FPGA和ARM类控制器，由于性价比高并方便进行冗余备份，在太空中的短寿命试验卫星中大范围使用，随着技术的提高逐渐向长寿命卫星方向发展。

2.多种总线接口技术的广泛应用

各种地面常用的总线接口，如通用串行总线(USB)、ZIGBEE，以及I2C接口和串行外设接口(SPI)。集成闪存的微控制器的数量也在增加，因为它们的优势主要集中在可编程性上。系统开发人员倾向于随时可用的硬件和软件开发平台，这些平台能够提供无缝迁移到更高性能的体系结构。

3.开源硬件平台将是未来发展趋势

许多开放源码硬件平台都有望用于小型航天器系统。Arduino电路板由一个带有辅助硬件电路的微控制器组成。Arduino平台使用Atmel微控制器，因此开发人员可以利用Atmel的开发环境来编写软件。ArduSat宇宙飞船利用Arduino平台成功地让公众参与到卫星研制与设计过程中来。Raspberry Pi是另一个高性能的开源硬件平台，能够处理图像和潜在的高速通信应用，这些技术也将并入航天系统中使用。

4.辐射缓解与纠错技术的应用

在太空应用中，辐射会以两种方式损害电子设备。总电离剂量是接收到的累积辐射量。单事件效应(Single event effects, SEE)是单个粒子撞击电子设备造成的扰动。总剂量是用krad来测量的，它会影响晶体管的性能。单事件异常(SEU)会影响内存的逻辑状态。单个事件闭锁(SEL)会影响CMOS逻辑上的输出晶体管，可能导致高电流状态。

存储器FRAM (Ferroelectric RAM)是一种与闪存一样具有持久性的非易失性随机存取存储器。这种薄膜结构更有可能在单一事件效应期间保持状态。ECC内存纠错码存储器能够检测和纠正RAM和闪存中的位错误。EDAC算法使用内存的三份拷贝来检测和纠正位差异，可以对错误数据进行修正。循环冗余校验(CRC)是检测内存或通信错误的常用方法。CRC帮助检测数据损坏，但不能用于纠正有缺陷的数据。前向纠错FEC传输冗余数据，帮助接收器恢复损坏的数据。

5.多模冗余技术的应用

航天控制领域普遍采用冗余方案进行系统设计,相应软件系统也存在冗余。主要包括三冗余软件、三冗余软件与热备份软件之间实时同步控制策略。三模冗余技术，程序逻辑被运行在三个结构相同的控制器中，逻辑的输出由多数票决定，以保证控制器在轨工作正常稳定。

为了确保冗余软件系统数据同步和一致，一般采用延时等待、交互表决、串行操作以及记忆重发同步控制策略。