第四章：商业航天中的信息处理与计算

4.1 星载计算机体系架构

星载计算机是卫星的"大脑"，承担着姿态轨道控制、任务管理、数据处理、故障诊断等核心功能。商业航天对星载计算机提出了高性能、低功耗、低成本、抗辐射等多重需求。

传统架构：采用抗辐射加固的处理器，如基于PowerPC或SPARC架构的宇航级处理器。这类处理器性能较低（通常数百MHz），成本极高（单颗数万美元），功耗较大，已难以满足现代商业航天的需求。

现代商业航天架构：采用高性能COTS处理器配合系统级容错设计。主流选择包括：

· ARM架构：Cortex-A系列用于高性能计算，Cortex-R系列用于实时控制，具有生态丰富、功耗低、成本适中的优势。

· RISC-V架构：开源、可定制，便于从指令集层面设计抗辐射特性，是未来的发展方向。

· 多核处理器：通过多核并行提升处理能力，同时实现核间冗余和任务迁移。

异构计算架构：结合CPU、FPGA、GPU、NPU等不同计算单元，实现任务最优分配。CPU负责控制和管理，FPGA负责高速数据处理和接口协议，NPU负责人工智能算法加速。

4.2 抗辐射加固计算机设计

空间辐射环境会导致单粒子翻转（SEU）、单粒子锁定（SEL）、单粒子功能中断（SEFI）、单粒子烧毁（SEB）等效应。商业航天计算机需要在成本可控的前提下实现有效的抗辐射加固。

"金字塔"加固策略：

器件级：对关键部件（如电源管理、时钟、配置存储器）采用抗辐射等级器件；对处理 器等采用COTS+策略。

电路级：采用绝缘体上硅（SOI）工艺减少电荷收集；使用环形栅、保护环隔离抑制边缘漏电；采用三模冗余（TMR）对关键逻辑进行投票。

板级：关键总线和存储器采用ECC（纠错码）保护；采用看门狗定时器监控程序执行；实现电源监控和顺序控制。

系统级：采用双机或多余度备份架构；实现故障检测、隔离与恢复（FDIR）；支持在轨重构和软件更新。

容错操作系统：采用分区操作系统（如VxWorks 653、 PikeOS），实现关键任务与非关键任务的隔离；支持时间/空间分区，防止故障扩散；提供健康管理和故障恢复机制。

4.3 FPGA在星载处理中的应用

FPGA（现场可编程门阵列）是现代航天计算机的核心器件，兼具硬件并行处理能力和软件可重构灵活性。

SRAM型FPGA：如Xilinx Kintex/Virtex系列，具有容量大、性能高、成本低的优势，但配置存储器易发生单粒子翻转。加固措施包括：

· 配置刷新：定期回读配置位流，与 golden 副本比较，纠正SEU错误；

· TMR设计：对用户逻辑进行三模冗余，屏蔽单点故障；

· 内部ECC：利用FPGA内置的ECC保护Block RAM；

· Scrubbing：结合刷新和TMR，实现持续的错误纠正。

Flash/Anti-fuse型FPGA：如Microsemi ProASIC3、Lattice CertusPro，配置位天然抗翻转，无需刷新，适合关键控制逻辑，但成本较高、容量较小。

新型FPGA技术：

· 高带宽存储器（HBM）集成：提升数据吞吐能力，适合高速信号处理；

· AI引擎集成：如Xilinx Versal系列，集成专用AI处理器，支持在轨智能处理；

· Chiplet架构：将不同工艺节点的小芯片通过先进封装集成，实现性能与可靠性的最佳组合。

4.4 星载存储技术

星载存储系统需要兼顾非易失性、抗辐射性、高速读写、大容量等要求。

易失性存储器：

· SRAM：速度快、功耗低，但易发生SEU，需配合ECC使用；

· DRAM：容量大、成本低，但对SEU更敏感，需要复杂的EDAC电路，通常能纠正单比特、检测双比特错误。

非易失性存储器：

· NOR Flash：用于存储引导程序和关键代码，具有较好的抗TID能力，但仍需ECC保护；

· NAND Flash：容量大、成本低，适合存储大量数据，但存在坏块管理和读写寿命问题；

· MRAM（磁阻随机存储器）：具有天然抗辐射、非易失、高速、无限次读写等优势，是理想的星载存储器，但容量和成本仍在优化中；

· FeRAM（铁电存储器）：非易失、低功耗、抗辐射，适合存储配置参数和小数据量。

存储架构设计：

· 分层存储：高速SRAM作为缓存，DRAM作为主存，Flash作为大容量存储，MRAM作为关键参数存储；

· RAID技术：多片存储器组成冗余阵列，提升可靠性和读写速度；

· 磨损均衡：对Flash存储器进行磨损均衡管理，延长使用寿命。

4.5 人工智能在星载处理中的应用

随着卫星遥感分辨率和数据量的激增，传统的"星上采集、地面处理"模式面临带宽瓶颈和时效性不足的问题。星载人工智能（AI）成为解决这一问题的关键技术。

应用场景：

· 图像智能处理：在轨进行目标检测、变化检测、图像增强、云判和去云等；

· 数据智能压缩：基于深度学习的内容感知压缩，在保证关键信息的前提下大幅降低数据量；

· 自主任务规划：根据观测目标和资源状态，自主优化任务序列和参数配置；

· 故障智能诊断：利用机器学习分析遥测数据，预测设备故障，指导在轨维护。

实现技术：

· 嵌入式GPU：如NVIDIA Jetson系列，提供强大的并行计算能力，但功耗较大；

· 神经网络加速器（NPU）：专用AI芯片，如Intel Movidius、地平线征程系列，能效比高，适合星载应用；

· FPGA实现AI：利用FPGA的可编程性实现定制化的神经网络加速，灵活性和能效兼顾；

· 存算一体架构：突破冯·诺依曼瓶颈，在存储单元内完成计算，大幅降低AI推理功耗。

抗辐射AI芯片：针对空间辐射环境，需要开发抗辐射加固的AI处理器。技术途径包括：采用SOI工艺、三模冗余设计、ECC保护、近似计算容错等。RISC-V架构的开源特性为定制抗辐射AI芯片提供了便利。

4.6 星载软件与信息安全

星载软件是信息处理系统的灵魂，其可靠性和安全性直接影响任务成败。

软件架构：

· 分层架构：底层为板级支持包（BSP）和驱动程序，中间层为操作系统和中间件，上层为应用软件；

· 组件化设计：功能模块化，接口标准化，便于复用和测试；

· 容错设计：关键算法采用多样化设计，避免共模故障；实现异常处理和故障恢复机制。

信息安全：

· 加密技术：对遥控指令、遥测数据、载荷数据进行加密传输和存储，防止窃听和篡改；

· 身份认证：实现星地之间的双向身份认证，防止非法接入；

· 安全启动：建立信任链，确保软件完整性和真实性；

· 入侵检测：监控异常访问和行为，及时发现和响应安全威胁。

在轨软件更新：

支持远程软件更新和参数调整，修复漏洞、优化算法、扩展功能。需要安全的更新机制，防止更新过程中的故障和攻击。

第五章：商业航天中的通信与射频技术

5.1 卫星通信频段与标准

卫星通信频段的选择直接影响系统容量、传输速率和终端成本。

商业航天主要使用以下频段：

L频段（1-2 GHz）：主要用于卫星移动通信，如铱星系统、天通一号。优点是传播损耗小、终端天线小，适合手机直连和便携终端；缺点是带宽有限，容量较低。

S频段（2-4 GHz）：用于卫星数字音频广播和部分移动通信系统。

C频段（4-8 GHz）：传统卫星通信主流频段，主要用于卫星电视广播和固定通信。优点是雨衰小、技术成熟；缺点是频谱资源紧张，与地面5G存在干扰协调问题。

Ku频段（12-18 GHz）：当前商业卫星通信的主流频段，广泛用于卫星电视直播、VSAT网络、航空航海通信。天线尺寸适中，高频谱资源相对丰富。

Ka频段（26.5-40 GHz）：高通量卫星（HTS）的首选频段，Starlink、ViaSat等系统大量使用。带宽资源丰富，可实现Gb级传输速率；缺点是雨衰较大，对天线指向精度要求高。

Q/V频段（40-75 GHz）：用于超高通量卫星和星间链路，是未来发展方向，但技术难度较大。

激光通信：利用激光载波进行数据传输，频率高达数百THz，带宽潜力巨大，且不受频谱管制约束。主要用于星间链路和高速数传。

5.2 相控阵天线技术

相控阵天线是低轨卫星互联网的核心技术，通过电子扫描实现波束的快速指向和赋形，无需机械转动。

有源相控阵（AESA）：每个阵元配备独立的收发组件（TR组件），可实现波束的快速扫描、多波束形成、波束赋形等功能。优点包括：

· 高增益：通过阵元合成实现高增益，等效口径大；

· 快速扫描：微秒级波束指向切换，适应卫星高速移动；

· 波束赋形：根据用户需求和干扰环境优化波束形状；

· 多波束能力：可同时形成多个独立波束，服务不同区域。

硅基相控阵：采用CMOS、SiGe等硅基工艺实现TR组件，成本低、集成度高，适合大规模生产。通过先进的封装技术（如扇出型封装、3D集成）提升性能。

化合物半导体相控阵：采用GaAs、GaN等工艺，功率效率高、噪声系数低，适合对性能要求极高的应用。GaN功率放大器具有高效率和高功率密度优势，是未来发展趋势。

数字波束形成（DBF）：在数字域实现波束加权，灵活性高，可同时形成数百个波束，支持频率复用和空分多址，大幅提升系统容量。

5.3 星载射频前端技术

星载射频前端负责信号的上变频、下变频、滤波、放大等处理，直接影响通信质量和功耗。

收发组件（TR组件）：

· 集成度：从分立器件向单片微波集成电路（MMIC）发展，GaAs MMIC、GaN MMIC实现多功能集成；

· 效率：采用Doherty、包络跟踪等线性化技术，提升功率放大器效率，降低功耗和散热压力；

· 线性度：针对高阶调制（如16APSK、32APSK）和多载波应用，需要高线性度设计，避免互调干扰。

频率综合器：

· 低相位噪声：采用小数分频锁相环（PLL）、直接数字频率合成（DDS）等技术，实现低相位噪声、低杂散；

· 捷变频：支持快速频率切换，适应跳频通信和频谱感知需求；

· 多频点：支持多频段覆盖，实现多系统兼容。

滤波器：

· 高选择性：采用声表面波（SAW）、体声波（BAW）、薄膜体声波（FBAR）等滤波器，实现陡峭的带外抑制；

· 可调滤波器：基于MEMS、铁电材料等实现中心频率和带宽可调，适应灵活频谱配置；

· 高温超导滤波器：具有极低的插入损耗和极高的选择性，但需制冷工作，适用于特定高性能应用。

5.4 调制解调与编解码技术

高效的调制解调和信道编解码技术是提升频谱效率、降低误码率的关键。

高阶调制：

从QPSK、8PSK向16APSK、32APSK、64QAM发展，频谱效率不断提升，但对信道条件和线性度要求更高。需要自适应调制编码（AMC）技术，根据信道质量动态选择调制方式和编码速率。

信道编码：

· LDPC码：低密度奇偶校验码，性能接近香农限，复杂度适中，是DVB-S2、5G NR等标准的选择；

· Polar码：极化码，在短码长下性能优异，已用于5G控制信道；

· Turbo码：性能优异，但译码复杂度高，适用于对时延不敏感的应用。

多址接入：

· TDMA/FDMA：传统时分/频分多址，技术成熟，但资源利用率受限；

· CDMA：码分多址，抗干扰能力强，但容量受限；

· OFDMA：正交频分多址，频谱利用灵活，是4G/5G的主流技术；

· NOMA：非正交多址，通过功率域或码域叠加提升接入用户数，是6G候选技术。

星间链路通信：

低轨卫星星座需要建立星间链路（ISL）实现空间组网。主要技术包括：

· 微波星间链路：采用Ka频段或Q/V频段，技术成熟，但天线指向要求高；

· 激光星间链路：带宽大、体积小、功耗低、抗干扰，但捕获跟踪难度大，受大气和云雾影响。Starlink已大规模部署激光星间链路。

5.5 卫星直连与5G/6G融合

卫星通信与地面移动通信的融合是未来趋势，手机直连卫星成为热点。

双模终端：

终端同时支持地面蜂窝（4G/5G）和卫星通信，根据覆盖情况自动切换。需要芯片和协议的支持，实现无缝漫游。

5G非地面网络（NTN）：

3GPP已制定5G NTN标准，支持卫星作为基站（gNB）或中继，实现与地面5G的融合。关键技术包括：

· 时延补偿：卫星传播时延大（LEO约10-20ms，GEO约250ms），需要HARQ、定时提前等机制补偿；

· 多普勒补偿：低轨卫星高速运动产生大多普勒频移，需要频偏估计和补偿；

· 波束管理：卫星波束覆盖范围大且移动快，需要高效的波束选择和切换机制。

6G空天地一体化：

6G愿景实现空天地海一体化网络，卫星作为6G网络的有机组成部分，提供广域覆盖和应急通信能力。需要统一的空口设计、智能的资源调度、灵活的网络切片等技术支持。

第六章：商业航天中的测控与导航

6.1 卫星测控系统

测控系统是保障卫星正常运行和完成任务的关键，包括遥测（TM）、遥控（TC）和跟踪（TT&C）三部分。

遥测系统：

采集卫星各分系统的状态参数（电压、电流、温度、压力、姿态等），编码后下传至地面站。关键技术包括：

· 传感器技术：高精度、低功耗、抗辐射的温度传感器、电流传感器、压力传感器等；

· 数据采集：多路复用、高精度AD转换、信号调理；

· 数据压缩：在保证关键信息的前提下压缩数据量，节省带宽；

· 传输协议：采用CCSDS（空间数据系统咨询委员会）标准，实现国际兼容。

遥控系统：

接收地面站的指令，解码后分发至各执行机构。关键技术包括：

· 指令编码：采用纠错编码，防止误码导致错误执行；

· 安全验证：多重校验、密码保护，防止非法指令；

· 执行机构：电磁阀、火工品、电机等，需要高可靠驱动电路；

· 时序控制：精确的指令执行时序，保证动作协调。

跟踪系统：

测量卫星的轨道位置和速度，用于轨道确定和预报。技术包括：

· 测距测速：通过测量信号往返时间（测距）和多普勒频移（测速）确定轨道；

· 角度测量：地面站天线指向测量，提供角度观测量；

· 数据融合：综合测距、测速、角度数据，通过轨道确定算法精确计算轨道。

6.2 星载GNSS接收机

全球导航卫星系统（GNSS）接收机是低轨卫星轨道确定的主要手段，相比传统地面测控具有成本低、精度高、实时性好的优势。

接收机架构：

· 射频前端：接收GPS、北斗、GLONASS、Galileo等信号，下变频至中频；

· 基带处理：信号捕获、跟踪、解调、伪距/载波相位提取；

· 导航解算：利用星历和伪距计算位置和速度，定轨精度可达厘米级（配合载波相位差分）。

抗干扰技术：

· 自适应调零天线：对干扰方向形成零陷，抑制窄带干扰；

· 脉冲干扰消隐：检测并消隐脉冲干扰；

· 多系统融合：利用多星座冗余，提升可用性和抗干扰能力。

高精度定轨：

· 精密单点定位（PPP）：利用精密星历和钟差产品，实现厘米级定位；

· 相对定位（RTK）：星间差分，消除公共误差，提升相对定位精度；

· 定轨滤波：结合动力学模型和观测数据，通过卡尔曼滤波估计轨道参数。

双频/多频接收：

利用双频观测消除电离层误差，提升定轨精度。现代接收机支持GPS L1/L2/L5、北斗B1/B2/B3等多频点。

6.3 姿态测量传感器

卫星姿态测量是姿态控制的基础，常用传感器包括：

星敏感器：

· 原理：通过拍摄星空图像，识别星点，计算姿态。精度高（可达角秒级），是高精度姿态确定的首选；

· 技术要点：高灵敏度CMOS/CCD探测器、大视场光学系统、快速星图识别算法、抗杂光设计；

· 发展趋势：采用APS（有源像素传感器）CMOS探测器，实现高帧率、低功耗、高动态范围；微小型化设计，适合微纳卫星。

陀螺仪：

· 光纤陀螺（FOG）：利用Sagnac效应测量角速度，精度高、寿命长，是中高轨卫星的主流选择；

· MEMS陀螺：基于微机电系统，体积小、功耗低、成本低，适合微纳卫星和短期任务，但精度相对较低；

· 半球谐振陀螺（HRG）：精度高、可靠性好，是高端应用的选择。

太阳敏感器：

· 模拟式：通过硅光电池差分输出测量太阳方位，简单可靠，但精度较低；

· 数字式：采用CMOS图像传感器拍摄太阳像，计算太阳矢量，精度较高；

· 应用：主要用于初始姿态捕获和备份姿态确定。

地球敏感器：

· 红外地球敏感器：利用地球红外辐射测量地平方位，确定俯仰和滚动角，是地球指向卫星的重要传感器；

· 精度：通常在0.1°量级，适合对地观测卫星。

磁强计：

· 原理：测量地磁场强度和方向，用于姿态确定和磁控；

· 类型：霍尔效应、磁阻效应、磁通门等，磁通门精度最高；

· 应用：主要用于微纳卫星，配合磁力矩器实现主动磁控。

6.4 组合导航与信息融合

单一传感器难以满足所有应用需求，组合导航通过多传感器信息融合实现优势互补。

GNSS/惯性组合（GNSS/INS）：

· 紧组合：GNSS接收机与惯性测量单元（IMU）深度耦合，利用惯性辅助GNSS捕获跟踪，利用GNSS修正惯性漂移；

· 松组合：GNSS和INS独立解算，结果融合，实现简单但性能略逊；

· 优势：GNSS提供长期精度，INS提供短期高精度和连续性，组合后实现无缝高精度导航。

星敏感器/陀螺组合：

· 星敏感器提供绝对姿态参考，陀螺提供高带宽角速度测量；

· 滤波融合：通过卡尔曼滤波估计陀螺漂移，修正姿态误差，实现高精度姿态确定。

多传感器融合架构：

· 联邦滤波：各子系统独立滤波，主滤波器融合，容错性好；

· 集中滤波：所有观测统一处理，最优但计算量大；

· 因子图优化：现代SLAM和导航融合方法，适合大规模非线性优化。

6.5 时间频率系统

高精度时间频率是测控、导航、通信、科学观测的基础。

星载原子钟：

· 铷原子钟：技术成熟，稳定度约10^-12~10^-13，是导航卫星的主要选择；

· 被动型氢原子钟：稳定度达10^-15量级，用于高精度导航和科学任务；

· 光钟：基于光频跃迁，稳定度达10^-18，是未来发展方向。

晶振与频率综合：

· 恒温晶振（OCXO）：短期稳定度好，用于通信和测控；

· 温补晶振（TCXO）：成本低，用于一般时序控制；

· 频率综合器：产生系统所需的各种时钟频率，要求低相位噪声、低杂散。

时间同步：

· GNSS授时：利用GNSS信号实现纳秒级时间同步；

· 双向时间传递：通过星地双向测距实现高精度时间同步；

· 网络时间协议（NTP/PTP）：在卫星内部各设备间实现时间同步。

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商业航天中的：推动卫星从"定制化航天器"向"工业化电子产品"转变电子技术（一）

商业航天中的：推动卫星从"定制化航天器"向"工业化电子产品"转变电子技术（二）

商业航天中的：推动卫星从"定制化航天器"向"工业化电子产品"转变电子技术（三）