德州儀器 (TI) 提供可靠度極高的太空級電源管理元件,為智慧功能更強、體積更小的次世代衛星協助供電,讓美國航太總署 (NASA) 工程師得以更深入了解宇宙

TI的太空級電源管理元件,讓航太工程師能夠為太空任務實現先進的機內運算平台,在我們的協助下打造智慧功能更強的小型衛星,開啟人工智慧在自主太空船領域的各種可能性。

歷經兩年飛行,OSIRIS-Rex太空探測器終於在2018年8月成功抵達貝努 (Bennu) 小行星,開始採集表面物質樣本。探測器裡有處理器可與地球通訊並將影像傳回任務控制中心,如此一來NASA團隊就能操控太空船方向,找出安全的降落地點。

這項任務極具挑戰性。侷限於尺寸限制以及太空中嚴苛的環境,相較於我們在日常生活中所使用的電子產品,探測器只配備了相當有限的運算功能。OSIRIS-Rex內部搭載的視覺處理與危險規避系統,每隔幾分鐘才會更新導航資訊。由於地球和貝努相距2億英哩,傳輸時間需要18分鐘,造成通訊往來徒增不少等待時間。

NASA可禁不起重大缺失,因此所屬工程師通常會使用輻射硬化晶片,其強度足以耐受地球防護層以外環境— 但代價是功率密度下降。

有高效能運算選項需求的任務,必須使用新型的太空規格處理器— 並以全新方式提供電源,使用TI透過新型封裝技術優化高效能及高功率密度的太空級電源管理元件。

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NASA戈達德太空飛行中心 (Goddard Flight Center) 工程師Nicholas Franconi指出:「輻射硬化元件是為了免於故障而設計。」「問題是它們的處理性能通常比商用晶片落後10到20年。因此我們決定開發全新做法。」

NASA處理器體積小 野心大

NASA的決定,催生了SpaceCubeTm系列高效能機載資料處理器的誕生。NASA的SpaceCube以商用的可程式設計邏輯閘陣列 (FPGA) 為核心,是一種功能比NASA目前使用之輻射硬化處理器還要強大幾百倍的積體電路。

SpaceCube的FPGA功能強大,還能加以編程,納入多種原本需要獨立處理器才可擁有的功能— 例如地面通訊甚至是雷達。因此它非常適合部署在零件數量受限以及尺寸甚為重要的小型衛星。v3.0 Mini是SpaceCube系列裡最小的版本,能放進小於10立方公分的空間內— 只比標準型魔術方塊大一點點。

 

Javier Valle手中拿的就是TI航太級負載點降壓轉換器,能為NASA的SpaceCube協助提供電源

TI航太電源系統部門經理Javier Valle曾協助設計SpaceCube v3.0的電源管理系統,他形容這是他「所見最具野心的小型衛星計畫」。

迷你而強大的電源管理系統

要把高效能運算功能塞進這麼小的空間,就必須以全新方式驅動符合太空等級的FPGA。Javier Valle指出,高效能代表對能源管理系統的要求極高,而且要在小型衛星裡空間有限的發電及電源供應系統內達成這些要求,絕對是一大挑戰。

他表示:「隨著衛星的機載運算功能提升,航太工程師必須為電子零件提供更多電源,而不必加大衛星尺寸。」「TI的太空級電源產品便符合此一需求,且外型超小,能源密度亦為市場最高。太空應用的零組件通常必須採用氣密封陶瓷封裝,但這可能會降低功率效率,因此TI工程師必須開發新的封裝技術以縮小解決方案尺寸,同時提升功率與效能表現。」

SpaceCube v3.0的電源系統必須以有效率且一致的方式長時間提供大量電力,即使零組件因輻射而老化或破壞都要繼續。

Javier Valle指出:「在部分案例中,供給FPGA核心的電壓必須在1伏特左右,正負4%以內。」「若核心電壓下降超過4%,FPGA就可能重新啟動,代表擷取中所有資料均已遺失— 導致FPGA必須重新編程。若核心電壓上升超過4%,依程度而定,就有可能造成FPGA永久損害。TI的太空級負載點降壓轉換器TPS7H4001-SP是第一款在FPGA必要之高電流與極端高輻射環境下,仍能滿足這些電壓調整需求的產品。」

 

NASA對SpaceCube v3.0的規劃,還包括用它來驅動自主太空船的機載人工智慧功能,替衛星進行維修和燃料補給工作。未來甚至可能用在月球或火星四周軌道衛星的長期太空探險任務,利用從這些星球表面所擷取的資源提供燃料補給支援。

負責相關計畫的NASA首席工程師Alessandro Geist表示:「SpaceCube的首發任務,就是搭配哈伯太空望遠鏡維修任務的一項實驗,期間SpaceCube展示了機載的姿態分類演算法功能,而這正是未來哈伯太空望遠鏡發展自動對接功能的先決條件。」「本來需要25台標準的輻射硬化電腦才能執行這項作業,重量和電源的需求都讓人卻步。」

SpaceCube v3.0以商用和輻射硬化零組件搭配TI的輻射硬化電源解決方案,開啟了人工智慧在太空中的可能性,而這不只是為了NASA任務,也造福這一波想要利用發射成本降低與小型衛星技術來拓展太空業務的私人企業。

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Javier Valle指出:「外界總誤解小型衛星只能用於簡單的應用。」「但採用了TI太空級元件的SpaceCube計畫,證明你還是可以跟大型衛星一樣擁有眾多功能。」

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