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    《電子技術應用》
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    商業航天衛星的新時代已來

    2022-08-19
    作者:ADI航空航天、防務和RF產品總經理Yasmine King
    來源:ADI公司

    過去幾年,航天工業的經營方式發生顯著變化。新企業正借助目標遠大的項目進入新的市場,抓住巨大的商機。隨著發射入軌的商業航天衛星數量迅速增加,并且成本大幅下降。運載火箭成本逐漸降低,摩爾定律的體現使得衛星體積也縮小了好幾個數量級。相比于前幾代公交車大小的超復雜產品,如今,只有摩托車大小的簡易衛星重量更輕,制造和發射成本也更加低廉。

    隨著設計、制造和標準化的進步,上市時間也進一步縮短,這些對商用航天衛星行業產生了重大影響,令衛星的部署速度更快,過程更加靈活。SpaceX、OneWeb、Telesat和Amazon等新太空私有企業計劃在未來十年內發射數千顆近地軌道(LEO)衛星,從而組成巨型衛星群,以便提供全球性的互聯網絡,甚至覆蓋世界上的無網絡地區。

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    商業航天衛星市場*(主要為低成本近地軌道衛星)快速擴張,現已成為市場發展的驅動力,與之形成對比的是限制多、成本高、海拔高的地球同步軌道(GEO)衛星。隨著市場變化,最主要問題之一是需要多少抗輻射加固。如今,大量商業航天市場不能承擔成本較高、要求嚴格、耐輻射,并且符合航天標準的"傳統"芯片、元件和設備,并且通常也不需要。

    對于高可靠性的傳統產品,其初始的設計目的是為了在惡劣的太空環境中使用數十年,搭載的則是高地球軌道的GEO電信衛星。在那種環境里,輻射更加強烈,同時也會對航天器的電子裝置產生危害?,F在,在衛星市場中,15至20年的抗輻射飛行任務的市場份額只占一小部分。今天的新太空商業市場有著不同的結構--任務持續時間只有幾年,甚至幾個月,因此在太空輻射威脅相對較低的地方輻射加固水平的要求也更低。

    太空輻射

    衛星和航天器電子系統的主要威脅是輻射。輻射產生的影響包括臨時故障、長期退化、災難性故障等。適用的防御措施是使用經過輻射加固和測試的電子設備,它們經過專門的輻射性能和生存能力測試。

    推動商業航天衛星產業發展的因素

    ·  更低的發射成本

    ·  體積更小、重量更輕、價格更加低廉的航天器

    ·  對現代IC技術和新功能的需求

    ·  對近地軌道任務和更大衛星群的重視

    ·  需要縮短產品上市時間

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    “97%的航天行業收入中,‘地球太空’經濟貢獻了3660億美元?!?

    哈佛商業評論,2021年2月12日

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    巨型衛星群

    商業航天行業發展勢頭迅猛,這讓太空登錄這件事變得比以往任何時候都更加容易。由數千顆衛星組成的低成本近地軌道巨型衛星群已經開始部署。

    作為商業航天衛星領域的領導企業,SpaceX正在重復使用其F9火箭助推器,同時將多達60顆更輕、更經濟的衛星發射到近地軌道。共乘和推進器的重復使用降低了發射成本,使每顆衛星的價格降至100萬美元。這些近地軌道衛星在341英里(550千米)的高度上環繞地球運行,高度大約是地球同步軌道距離的3%。

    近地軌道信號延遲更低,為關鍵業務通信、遠程機器人手術、金融交易和游戲等應用場合提供更快的響應速度。不過,相比在傳統地球同步軌道高度運行,較低的軌道上的這些衛星觀察到的地球表面范圍更小,因此需要更多的衛星才能實現相同的地球表面覆蓋范圍。

    小型衛星和巨型衛星群的應用正在普及開來,預計每年會發射1000多顆近地衛星。

    由于超大型衛星群中擁有如此多的衛星,商業企業不可能同時讓多顆衛星維持運行,并為每套傳統器件支付數千美元的費用。對于在商業太空衛星行業開展業務的新太空企業,需要一個切實可行、經濟實惠,并且適合用來平衡任務和風險的解決方案。

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    巨型衛星群業務

    新太空是一個新興的全球性私營航天器產業,致力于尋求體積較小、功能較強、具有成本效益的抗輻射技術,以滿足低輻射或相對良性輻射環境和短時任務的需要。

    目標

    ·  降低準入門檻

    ·  提供體積更小、價格更低、重量為500公斤以下的衛星來執行單一任務

    ·  近地軌道高度僅為地球同步軌道的3%,且處于較低的輻射環境中

    ·  需要更復雜的通信網絡

    彌合差距的商業解決方案

    今天的小型衛星需要創新的設計解決方案,減小尺寸、重量、功率和成本,這是傳統器件所不具備的。在太空應用中使用價格較低的商用現成(COTS)器件有許多益處,可享受先進的技術、更高的集成度、更高的性能和更好的SWaP。不過,僅使用COTS器件可能無法滿足許多新航天事業的保護、測試和可靠性需求。

    如今,ADI公司的商業航天產品彌合了低端COTS器件與傳統全航天級氣密QML V產品之間的差距。商業航天產品實現了可靠性與低成本之間的平衡,以達到可接受的風險水平。其他功能包括晶圓批次統一性和可追溯性、輻射監測器和強化測試,以及COTS商用級產品不支持的功能。

    ADI航空航天、防務和RF產品總經理Chris Chipman表示:“一家巨型衛星群企業可以決定在其衛星上使用標準的塑料COTS器件,沒有輻射要求,也不需要任何資質。但信號鏈的其他部分可能會承受更高的風險。這些器件不能發生故障,因為它們調節著關鍵的飛行系統,比如對實際無線電本身的遙測控制。若讓服務長期脫機,企業則不能承擔起這筆費用,因此需要考慮較高級別的組件?!?br/>

    產品等級評估表

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    ADI兩類新商業航天產品概述

    ADI公司建立了兩個新的產品等級組合,以滿足新興商業航天衛星行業的廣泛需求。該行業主要研究在低輻射環境中運行的近地衛星和巨型衛星群,以及傳統地球同步軌道衛星不斷變化的成本壓力。憑借四十多年以來積累的航天級部件制造知識,ADI公司專注于開發符合靈活性、可靠性和質量要求的產品,以適用于任何任務。

    商用航天低軌道衛星(CSL)

    商用航天低軌道衛星是為了滿足成本限制或高容量的需求,它提供了適合在低輻射環境中繞軌道運行的近地軌道衛星群的基本測試和篩選服務。

    商用航天高軌道衛星(CSH)

    專為需要高可靠性、比傳統產品成本更低、功能更先進的客戶而設計。商用航天高軌道衛星具備較高水平的篩選和輻射鑒定能力,并提供了嚴格的測試??稍跊]有氣密包裝的情況下使用(相當于使用SAE AS6294作為指南的QML V)。CSH包含CSL所能提供的一切功能,另外還可提供高可靠性的篩選和質量合格檢驗服務。

    改善生活的新產品

    COTS器件、CSL和CSH不僅是實現更好的SWaP、更小體積衛星和巨型衛星群的技術,而且是提高生活質量和拯救生命的工具。

    鑒于商業太空衛星產品的創新,以及勇于開拓的新太空企業在實現星際遠航方面付出的努力,所有這一切目標,甚至是更多的目標都有可能實現。

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    地球觀測衛星提供的數據將有助于提供有價值的見解,讓我們更好地了解地球的河流、海洋、森林和基礎設施,從而提高農業生產效率,改善水、資源和野生動物管理。

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    由于氣候變化,颶風和森林大火等災害正在增多。通過寬帶連接覆蓋地球的衛星系統,可以降低災害影響。比如,華盛頓莫爾登鎮曾發生了火災,緊急救援人員將太空聯網用于網絡恢復,有效地幫助了人們的災后重建工作。

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    這樣的技術也可以在許多小城中應用,如位于西得克薩斯州??送锌h的敖德薩。在這片荒涼、平坦、干燥的土地上,近40%的家庭反映寬帶服務不可靠,或根本未提供寬帶服務。太空"飛行路由器"的波束連接可以幫助孩子們遠程在線觀看學校課程,在家繼續接受教育。

     

     

    文內注釋:

    *美國銀行預計太空經濟投入資金將在2030年達到1.4萬億美元,相比于2019年的4240億美元,增幅達到了230%,這主要得益于企業之間投資以及政府私人投資機會的增多。CNBC,2020年10月4日。

    ?包括電信、互聯網基礎設施、地球觀測能力和國家安全衛星。

     


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