航天器或卫星的七个基本子系统简单说明

年轻时，我和大多数心怀抱负的工程师一样，也曾梦想遨游太空，特别是火星。那时，我以为乘坐美国航空航天局的航天飞机是到达太空的唯一途径。然而，航天飞机项目的取消击碎了我少年时代的梦想，至少我是这样认为的。最近的商业化卫星和发射服务称，有朝一日可能提供太空探索服务。凭借新的创新方法和数十年的相关经验，我相信他们能够将这一梦想变为现实。

  与此同时，我们也必须清楚地认识到，由于极端恶劣的环境，太空其实是一个非常危险的地方。轨道飞行中存在辐射、飞溅的碎片、极端温度和繁多的环境干扰。鉴于这些因素，飞船设计师采用了抗辐射集成电路（例如德州仪器公司生产的电路）、温度和惯性控制及特殊的外部结构，为太空飞行器提供保护，防止这些环境因素的影响。

当然我们不是专业的天体物理学家，作为业余人士，我们首先需要了解航天器或卫星的七个基本子系统：

1. 推进系统。提到推进系统时，您可能会想到卫星发射或航天飞机返航时使用的大型火箭助推器。而实际上，卫星发射系统只是整个推进子系统的众多功能之一。推进系统的主要功能是调节飞行轨道与飞行姿态——将航天器定位到正确的轨道、控制下降、乃至调整飞船位置进行拍照，例如2014年10月美国航天局火星奥德赛号拍摄到的赛丁泉彗星（图1）。

图1：赛丁泉彗星接近火星时，美国宇航局的火星轨道器操作拍照（图片来源：NASA / JPL-Caltech）

1.   电源系统。电源系统负责分配、存储（电池）、生成（太阳能）和调节电源。大多数卫星提供类似于电信电源系统的标准电源总线。这些标准电源轨包括28V、48V、50V、75V和100V。由于高电压下的电源效率更高，因此高电压（类似于地球上的电力线）分布在整个航天器上。然而，分布式架构需要两个额外的电源总线，即中间电源总线（28V至5V）和负载点总线（0.6V至5.5V），通常配置在四个子系统中。功率转换是一个非常有趣的领域，它需要特殊的抗辐射加固的设计技术（通常会增加集成电路[IC]的大小），以确保功率FET不会因空间中的重离子受损。TI拥有一些市场上最小的负载点解决方案，包括用于驱动双倍数据速率（DDR）内存的高级动力系统。尺寸的减小可以显著降低卫星成本，因为更小、更高效的解决方案可以减轻重量，从而降低发射费用。这是降低卫星成本的主要推动因素。
2.   姿态确定与控制系统（ADCS）。该子系统与推进子系统紧密联系，共同控制和定位飞船，完成特定的任务。它对于天线定位（通信）和太阳能电池阵列的定位（用于电池的太阳能收集）也很重要。传感器，如星体跟踪器、太阳传感器、全球定位系统，惯性测量单元和速率陀螺等用于确定姿态。推进系统，如飞机/推进器、反作用轮、控制力矩陀螺和磁矩杆用于控制姿态。这个子系统中的电子元件包括负载点功率解决方案、运算放大器、电压基准、低速（小于1MHz）模拟数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）和比较器等。
3.   通信系统。该子系统负责与地球和其他航天器之间的通信。卫星通信通过无线电频谱在模拟域中分配频率。简而言之，为使卫星理解通信内容，必须将模拟数据转换为数字域。TI在此方面拥有丰富的专业知识，以及一些航天市场中世界上速度最快的ADC和DAC。该子系统也需要负载点功率、接口、运算放大器和时钟解决方案。
4.   命令和数据处理（C＆DH）。该子系统负责处理和分配数据。将其想像为卫星的主计算机。需要时，它与通信和ADCS紧密相连。该子系统使用许多不同类型的电子设备，包括点负载功率、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、存储器、处理器、接口、运算放大器和时钟。
5.   热力系统。该子系统基本上是航天器的暖通空调。它负责将电子设备的温度维持在指定范围内。我也喜欢将此系统纳入“健康监测系统”中，后者的范围更广，包括温度、电流和电压监测和控制。随着航天器技术的日益精进，我期待技术界能够在此领域做出更多的改进。
6.   结构和机械系统。该子系统的机械（非电子）功能包括支持结构、框架、适配器和移动夹具。

  现在您了解到，航天器有着极其复杂和有趣的子系统。也许我的介绍能帮助您为下次火星之旅做出更充分的准备，或者促使您进行更深入的了解。

  建议您登录www.ti.com/space了解TI的一些航天技术。如果您想观看现场演示，并了解TI的尖端辐射加固系列产品，请于下周2016年电气和电子工程师协会（IEEE）核技术和空间辐射效应会议（NSREC）期间访问我们的展位（43号）。

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审核编辑：符乾江