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近年来，在嵌入式控制领域，小卫星是一项新兴且迅速发展的应用，越来越多的“聚焦于地面”的嵌入式工程师将其发展重点转向了面向天空——设计小型卫星中使用的嵌入式系统。 图1 1U立方体卫星以及标准大小的控制电路板  立方体卫星 根据重量的不同，小卫星被分为多个种类，其中最为普遍的是立方体卫星。立方体卫星的设计标准在学术界有其根源，可以相对容易的建立一个元件的生态系统，使它们连在一起组成一个可以工作的卫星。一个1U的立方体卫星的大小为10×10×11.35cm3。图1为一个立方体卫星的框架，以及一个可以安装到框架上的标准大小的电路板。根据卫星系统的复杂度要求，这些1U立方体也可以组合在一起形成更庞大的系统，例如3U或者6U立方体卫星。 广泛应用 立方体卫星目前被应用于学术研究、政府机构以及军事科学研究，并且被商业公司用于电信、视频、传感等应用。 优势 立方体卫星标准已经被证明是极为成功的。到2014年底，约有一半发射至轨道的卫星是立方体卫星。预计在不久的未来，轨道中的卫星大多会被替代为立方体卫星。同样，在2014年，商界发射的立方体卫星数量首次超过了学术界发射的立方体卫星数量。相比于传统的卫星，立方体卫星的开发和发射成本都更低，并且可以联网形成集群。这样的配置结构有足够的冗余度，并且可能有更大的轨道覆盖率。这些优点对于那些支持立方体卫星标准的商界卫星开发者是极具吸引力的。 挑战 然而，这项快速增长的新卫星技术也面临着诸多挑战，很多立方体卫星任务都失败了。据追2000年数据，超过40%的立方体卫星出现了发射失败、到货即损（DOA）的现象，甚至有些在更早时候就失败了。导致发射高失败率的原因有很多，例如极具野心的技术注入以及对于测试的缺乏，这可能与预算不足有关系。 发射失败原因 所有从事空间系统开发的嵌入式系统设计者都面临着同一个挑战——缺乏可以在太空环境下工作的元器件。太空工作的半导体器件需要被“强化”以承受辐射的影响。可以选择的元器件并不多，而且它们并不是最先进的，同时非常昂贵。起初，立方体卫星的制作者没有考虑辐射等影响，而是使用商业现货（COTS），这也是早期发射任务失败率很高的一个原因。 目前，不仅高端政府机构资助的立方体卫星开发项目会选用抗辐射元器件，整个立方体卫星领域也逐渐表现出选用抗辐射元器件的趋势，即使低预算的立方体卫星开发项目也需要10万美元。但总的来说，在系统的核心位置使用抗辐射微控制器的做法虽然带来了成本的增加，但是并不会大幅度影响整体的预算，且利大于弊。 更多挑战 由于主要的立方体卫星任务从学术界转向了商业界，对于立方体卫星的规格及可靠性的期望也发生了变化。卫星的寿命从几个月延长到几年，并且卫星的飞行轨道也被延伸了。这使得立方体卫星将会受到更多的辐射，从而面临更多发生故障的风险，例如由致电离粒子撞击引起的单粒子翻转（SEU）效应，或者总电离剂量累积给CMOS器件带来的负面影响。 由粒子撞击产生的单粒子翻转会损坏内存位，扰乱逻辑操作，或者引起闩锁效应。闩锁效应在基体上的寄生三极管正偏时发生，并且导致Vdd与Vss之间短路。这个过程一般是不可恢复的，并将损坏器件。总电离剂量随着时间推移不断积累，并且在氧化物建立累积电荷的时候在源极和漏极之间产生越来越大的漏电。同时，PMOS与NMOS之间的耗尽区也会扩大，这对于尺寸急速缩小的半导体器件来说是更严重的问题。TID的积累会导致漏电电流的增加，并拉低供给电压最终导致CMOS器件停止工作。 图2显示了一个致电离粒子撞击到CMOS基体的情形。在撞击到半导体结构上时，高能辐射创造了大量电子空穴对。这些电子空穴对产生了电流和电压尖峰。图2中的CMOS基体上使用了一个BGR结构，阻止寄生双极器件启动并产生闩锁效应，从而起到保护CMOS器件的作用。 图2 致电离粒子撞击到CMOS基体的情形示意图 主要原因 与大卫星相比，立方体卫星的辐射效应之所以会加剧是因为它们的框架上缺乏屏蔽措施，一般情况下，立方体卫星的框架上会安装太阳能电池。  解决措施 在低预算立方体卫星由使用COTS转变为使用更为专业的抗辐射器件的同时，依旧存在着优化系统成本的可能性。一种主流的做法是使用一个抗辐射的微控制器（MCU）作为系统的安全监控设备，在系统其他重要性较低的地方使用商用级的器件，并且有抗辐射的MCU监控。图3为一个例子。VA10820 MCU用来启动以及对一个Virtex-5 FPGA进行配置。在FPGA被加载并且开始运行之后，看辐射的MCU将继续监控FOGA的运行。在FPGA因为辐射而发生错误的时候，MCU可以重新配置FPGA，或者在发生闩锁时重新启动FPGA。这种方法保持了立方体卫星较低的成本，但是对于解决太空中辐射问题来说是非常有效的。（需要强调的是抗辐射的FPGA非常非常昂贵。） 同样的抗辐射MCU还可以用来监控系统中其他抗辐射性较低的部件。立方体卫星标准使用PC/104总线，它允许不同的电路板装载在立方体卫星框架中并且通过公用的总线结构进行沟通。目前可以从不同的立方体卫星元器件供应商处购买现成的太阳能电池阵列、电池组模块、电源管理模块、通信模块和姿态确定与控制系统（ADCS）。卫星的载荷是执行核心任务的定制电路板，包括数据收集，并且可能利用到各种传感器。载荷板也通过PC/104总线与其他的电路板相连接，并且共享同样的星上资源，例如能量供应。
图3 使用抗辐射的MCU和商用现货FPGA，在减轻辐射影响的同时优化成本 结语 立方体卫星为空间科学及探索开辟了大量新的机会。从业余爱好者的科研项目开始，立方体卫星在短短几年内演变成了可用于深空探索的平台。早期的制作思路两极分化严重，或是“全部使用昂贵的抗辐射元器件”，或是“全部使用便宜的商用现货”，而现在两者达到了一个平衡点，即非抗辐射的元器件可以在抗辐射控制芯片（如MCU）的监控下使用。 到2020年，预计每年发射的立方体卫星数量可能达到500颗左右。目前投资太空事业的私人企业空前之多，同时从事太空项目的嵌入式电子产品设计人员也比任何时候都要多。当你对于物联网感到厌烦的时候，可以考虑投入到“太空互联网”的事业中！
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