航天器或衛(wèi)星的七個基本子系統(tǒng)簡單說明

年輕時，我和大多數(shù)心懷抱負(fù)的工程師一樣，也曾夢想遨游太空，特別是火星。那時，我以為乘坐美國航空航天局的航天飛機是到達(dá)太空的唯一途徑。然而，航天飛機項目的取消擊碎了我少年時代的夢想，至少我是這樣認(rèn)為的。最近的商業(yè)化衛(wèi)星和發(fā)射服務(wù)稱，有朝一日可能提供太空探索服務(wù)。憑借新的創(chuàng)新方法和數(shù)十年的相關(guān)經(jīng)驗，我相信他們能夠?qū)⑦@一夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。

與此同時，我們也必須清楚地認(rèn)識到，由于極端惡劣的環(huán)境，太空其實是一個非常危險的地方。軌道飛行中存在輻射、飛濺的碎片、極端溫度和繁多的環(huán)境干擾。鑒于這些因素，飛船設(shè)計師采用了抗輻射集成電路（例如德州儀器公司生產(chǎn)的電路）、溫度和慣性控制及特殊的外部結(jié)構(gòu)，為太空飛行器提供保護(hù)，防止這些環(huán)境因素的影響。

當(dāng)然我們不是專業(yè)的天體物理學(xué)家，作為業(yè)余人士，我們首先需要了解航天器或衛(wèi)星的七個基本子系統(tǒng)：

1. 推進(jìn)系統(tǒng)。提到推進(jìn)系統(tǒng)時，您可能會想到衛(wèi)星發(fā)射或航天飛機返航時使用的大型火箭助推器。而實際上，衛(wèi)星發(fā)射系統(tǒng)只是整個推進(jìn)子系統(tǒng)的眾多功能之一。推進(jìn)系統(tǒng)的主要功能是調(diào)節(jié)飛行軌道與飛行姿態(tài)——將航天器定位到正確的軌道、控制下降、乃至調(diào)整飛船位置進(jìn)行拍照，例如2014年10月美國航天局火星奧德賽號拍攝到的賽丁泉彗星（圖1）。

圖1：賽丁泉彗星接近火星時，美國宇航局的火星軌道器操作拍照（圖片來源：NASA / JPL-Caltech）

1. 電源系統(tǒng)。電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)分配、存儲（電池）、生成（太陽能）和調(diào)節(jié)電源。大多數(shù)衛(wèi)星提供類似于電信電源系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電源總線。這些標(biāo)準(zhǔn)電源軌包括28V、48V、50V、75V和100V。由于高電壓下的電源效率更高，因此高電壓（類似于地球上的電力線）分布在整個航天器上。然而，分布式架構(gòu)需要兩個額外的電源總線，即中間電源總線（28V至5V）和負(fù)載點總線（0.6V至5.5V），通常配置在四個子系統(tǒng)中。功率轉(zhuǎn)換是一個非常有趣的領(lǐng)域，它需要特殊的抗輻射加固的設(shè)計技術(shù)（通常會增加集成電路[IC]的大?。源_保功率FET不會因空間中的重離子受損。TI擁有一些市場上最小的負(fù)載點解決方案，包括用于驅(qū)動雙倍數(shù)據(jù)速率（DDR）內(nèi)存的高級動力系統(tǒng)。尺寸的減小可以顯著降低衛(wèi)星成本，因為更小、更高效的解決方案可以減輕重量，從而降低發(fā)射費用。這是降低衛(wèi)星成本的主要推動因素。
2. 姿態(tài)確定與控制系統(tǒng)（ADCS）。該子系統(tǒng)與推進(jìn)子系統(tǒng)緊密聯(lián)系，共同控制和定位飛船，完成特定的任務(wù)。它對于天線定位（通信）和太陽能電池陣列的定位（用于電池的太陽能收集）也很重要。傳感器，如星體跟蹤器、太陽傳感器、全球定位系統(tǒng)，慣性測量單元和速率陀螺等用于確定姿態(tài)。推進(jìn)系統(tǒng)，如飛機/推進(jìn)器、反作用輪、控制力矩陀螺和磁矩桿用于控制姿態(tài)。這個子系統(tǒng)中的電子元件包括負(fù)載點功率解決方案、運算放大器、電壓基準(zhǔn)、低速（小于1MHz）模擬數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）和比較器等。
3. 通信系統(tǒng)。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)與地球和其他航天器之間的通信。衛(wèi)星通信通過無線電頻譜在模擬域中分配頻率。簡而言之，為使衛(wèi)星理解通信內(nèi)容，必須將模擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字域。TI在此方面擁有豐富的專業(yè)知識，以及一些航天市場中世界上速度最快的ADC和DAC。該子系統(tǒng)也需要負(fù)載點功率、接口、運算放大器和時鐘解決方案。
4. 命令和數(shù)據(jù)處理（C＆DH）。該子系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理和分配數(shù)據(jù)。將其想像為衛(wèi)星的主計算機。需要時，它與通信和ADCS緊密相連。該子系統(tǒng)使用許多不同類型的電子設(shè)備，包括點負(fù)載功率、專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、存儲器、處理器、接口、運算放大器和時鐘。
5. 熱力系統(tǒng)。該子系統(tǒng)基本上是航天器的暖通空調(diào)。它負(fù)責(zé)將電子設(shè)備的溫度維持在指定范圍內(nèi)。我也喜歡將此系統(tǒng)納入“健康監(jiān)測系統(tǒng)”中，后者的范圍更廣，包括溫度、電流和電壓監(jiān)測和控制。隨著航天器技術(shù)的日益精進(jìn)，我期待技術(shù)界能夠在此領(lǐng)域做出更多的改進(jìn)。
6. 結(jié)構(gòu)和機械系統(tǒng)。該子系統(tǒng)的機械（非電子）功能包括支持結(jié)構(gòu)、框架、適配器和移動夾具。

現(xiàn)在您了解到，航天器有著極其復(fù)雜和有趣的子系統(tǒng)。也許我的介紹能幫助您為下次火星之旅做出更充分的準(zhǔn)備，或者促使您進(jìn)行更深入的了解。

建議您登錄www.ti.com/space了解TI的一些航天技術(shù)。如果您想觀看現(xiàn)場演示，并了解TI的尖端輻射加固系列產(chǎn)品，請于下周2016年電氣和電子工程師協(xié)會（IEEE）核技術(shù)和空間輻射效應(yīng)會議（NSREC）期間訪問我們的展位（43號）。

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