[科普中国]-航天天线控制计算机

简介

不少航空机构曾对航天内部事务管理用的计算机作过评述并汇编成一览表。这些是以冯·诺尔曼结构为基础的计算机。他们使用滋环线式半导体存贮器，并使用专用的抽入/输出电路来连接计算机与星上的子系统。其中有些计算机已作为运载火箭的制导用。著名的有Univac1824，Delco 352(Magic)，Honeywell一Agena计算机，Litton 4516以及Teledyne Meca 43。

表1按七种主要判据：吞吐率、存贮器、输入/输出、电源，可靠性、器件可用性与合格性以及抗辐射能力比较了空军系统司令部航天分部确认合格的六种航天计算机，其中也包含了航天天线控制计算机。

航天计算机与地面计算机的差别主要是它在空间环境中工作，从地面进行遥控，以及研制时要特别考虑其功耗、重量与体积的减小。它还要能经得住火箭运载的严酷条件。

表1的数据构成计算机的总规范，提供快速识别哪些计算机最适应给定的要求。如要更细致地进行评价时，还需提供更多的信息。1

计算机合格判据七项判据，每项都由多种因素形成。

吞吐率第一项，吞吐率。它基本上是结构、字长及指令周期的函数。通常是按制造商确定的指令(混合比例)的执行时间来评价计算机的吞吐能力，它是以每秒多少千条指令或KIPS表示。然而，比较好的方法是，针对实际硬件开发基准程序，并在计算机上运行时进行实际测量。1

存贮器第二项是存贮器。衡量存贮性能的指标为最大寻址范围，访问时间与周期，存贮器类型(例如，磁环线)以及EDAC—错误检侧及校正能力。EDAC增加了功耗和器件数量，并降低了吞吐率5~10%。航天中的应用要求存贮器设有备份及保护措施以提高可靠性。1

输入/输出能力第三项是输入/输出能力。通常有两种类型：编程的I/O通道，及能作快速成组传送的直接访存通道。第一代航天计算机没有DMA能力，到新一代的机器才有。目前几乎在所有的航天应用中，它已成为一项重要的指标。

I/O总线的宽度是一个字或一个字节，用的是TTL逻辑。采用总线结构使多CPU及多存贮器的配置方式实现起来比较容易，这些配置方式都是冗余技术中常用的方法。MIL-STD-1553B位申行总线通道是仅有的唯一标准。这种通道正在为某些新的航天应用进行开发。1

功耗要求第四项是航天管理计算机的功耗要求。在备用存贮模块不加电的情况下，典型值小于100瓦。电源及变换器通常装在航天器的电源管理子系统中。航天计算机的重量与体积一般小于100磅及1立方英尺。1

可靠性第五项，可靠性，也许是最重要的特征。由于航天器不易维修，因此要求它的成功概率在1、3、5年中分别为0.99、0.98、0.90。图1为交叉绊合(cross-strapping)配，它用高度冗余的办法来克服单点故障。许多冗余技术及备分组合技术均能满足硬件系统可靠性指标。对航天分部大多数系统来讲，只要有一次异常或错误就能促使遥侧设备动作，检查故障所在并将系统重新组合。然而也可能开发复杂的航天器上自主方法来实现错误检测与适当的切换。1

器件的合格性、工艺性与可用性第六项是器件的合格性、工艺性与可用性。因为航天及军事应用还不到美国电子工业销售量的3%，所以工业部门宁愿采用B级标准筛选的器件，而不用符合宇航要求的S级标准。

军用空间电子设备需用的器件数量很少。而航天计算机的S级器件自生产后已用了10年以上，目前一些较老的S级器件—包括某些LSI—已非常少了。由于制造商不愿生产新的S级器件，这对设计航天计算机专用芯片的开发者来说产生了特殊问题。如果需要的话，用户必须花钱来维持S级生产线运转，即使他需要的数量非常少。

为了避开这个问题，有些用户采用B级筛选的元器件。例如，AMD公司的2901双极位片器件得到大量应用。它的性能高，价格低。双极位片器件对航天计算机CPU的设计提供了简单的解决办法。然而，双极存贮器则由于功耗问题而不被采用。这方面多用MOS器件，MOS器件密度既高，功耗也低。1

辐射坚固性最后一项是辐射坚固性。宇航计算机受到的自然辐射量（总剂量拉德[Si]规范）取决于飞行轨道及长度。除了自然辐射总剂量外，还有核威慑的电磁脉冲(EMP)辐射规范。必须在模块及系统级对EMP进行抑制，而且对器件也必须加固，达到规定的中子剂量及烧毁级。

屏蔽是重要的辐射加固因子。它的效果与下列因素有关：计算机在航天器中的位置，材料的屏蔽有效性等。有必要对实际部件模型进行辐射试验以证实他们是否符合要求。1