一、研究背景与低轨卫星星座通信需求随着全球商业航天产业的快速发展低轨卫星星座已成为构建天地一体化信息网络的重要基础设施。以遥感、导航增强和宽带通信为典型应用场景的低轨卫星系统其星上电子系统需要在严苛的空间辐射环境中保持长期稳定运行。根据空间辐射环境模型低地球轨道LEO卫星虽然处于地球磁层的部分屏蔽区域内但仍持续受到银河宇宙射线GCR和太阳粒子事件SPE产生的高能质子及重离子的辐照。这些高能粒子与半导体器件相互作用可能引发总剂量效应TID、单粒子锁定SEL和单粒子翻转SEU等辐射损伤机制对星上通信接口芯片的可靠性构成显著威胁。在低轨卫星的星座化部署趋势下单颗卫星的研制成本与周期被大幅压缩但对其电子系统的可靠性要求并未降低。星上通信网络作为连接姿态控制、电源管理、载荷数据处理与地面测控站的核心链路其物理层收发器件的辐射耐受能力直接决定了卫星的在轨寿命与任务成功率。传统的工业级CAN收发器虽然在地面车辆网络中表现优异但其抗辐射指标通常未经过系统性的空间环境适应性验证难以直接移植至航天应用场景。因此面向商业航天市场、具备明确抗辐射指标且通过第三方权威机构试验验证的CANFD通信接口芯片成为当前低轨卫星电子系统设计的迫切需求。从全球低轨卫星星座的发展态势来看以Starlink、OneWeb和Kuiper为代表的宽带通信星座以及以Planet Labs和Spire为代表的遥感与气象星座正在推动卫星制造模式从传统的小批量定制向规模化量产转变。在这一背景下星上电子元器件的选型标准也在发生深刻变化一方面元器件需要满足航天应用的基本可靠性要求另一方面其供应链稳定性、采购成本和交付周期需要适应规模化生产的节奏。国产化抗辐射通信接口芯片的成熟对于保障我国商业航天产业链的自主可控具有战略意义。二、CANFD协议在低轨卫星星内网络中的技术优势控制器局域网CAN协议自二十世纪八十年代问世以来已广泛应用于汽车电子、工业自动化和轨道交通等领域。CAN FDController Area Network with Flexible Data-rate作为CAN协议的演进版本在保持原有总线仲裁机制的基础上将数据段传输速率提升至最高5Mbps同时将单帧数据载荷从8字节扩展至64字节。对于星上电子系统而言CANFD协议的多主总线架构、非破坏性仲裁机制和差分信号传输方式使其在电磁兼容性EMC和总线利用率方面具有天然优势。低轨卫星内部通常包含姿态确定与控制、电源管理、热控管理、载荷管理等多个功能分系统这些分系统之间的控制指令与状态参数交换具有数据量小、实时性要求高、可靠性要求严苛的特点。CANFD总线以两根双绞线即可实现多节点互联显著降低了星上电缆束的质量与复杂度这对于对重量极为敏感的商业小卫星而言具有重要意义。此外CANFD协议的循环冗余校验CRC和错误帧自动重发机制为星上数据通信提供了链路层级的错误检测与恢复能力。与传统的RS-422/485多点总线相比CANFD在拓扑灵活性方面具有明显优势。RS-485总线通常采用主从轮询方式通信主节点故障会导致整个网络瘫痪而CANFD的多主架构允许任何节点在总线空闲时主动发送数据且通过标识符优先级仲裁确保高优先级帧的实时传输。这种去中心化的通信模式与卫星平台各分系统自主运行的架构特点高度契合。此外CANFD总线在物理层采用差分信号传输对共模干扰具有较强的抑制能力这对于星上复杂电磁环境中的应用尤为重要。三、ASM1042S2S型CANFD收发器的电气特性与协议符合性ASM1042S2S型CANFD收发器是国科安芯面向商业航天市场推出的专用通信接口芯片采用SOP8封装形式工作温度范围为-55℃至125℃。该器件的物理层设计严格遵循ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007标准支持最高5Mbps的数据传输速率其典型环路延时为110ns能够满足CANFD协议对物理层对称传播延迟的严格要求。在电气特性方面该收发器支持3.3V和5V两种I/O电平标准可通过VIO引脚灵活适配不同电压等级的微控制器MCU这一特性对于星上电子系统中异构处理架构的集成具有实用价值。在总线保护能力方面ASM1042S2S的CANH和CANL引脚具备±70V的总线故障保护电压和±30V的共模输入电压范围。这一设计参数对于星上应用尤为重要因为在航天器发射阶段的振动环境以及在轨运行期间的热真空循环可能导致电缆连接出现瞬时短路或接地异常。此外该器件集成了欠压保护UVP、热关断保护TSD和显性超时保护TXD DTO等多重保护机制。测试数据表明其VCC欠压保护上升阈值为4.2V至4.4V下降阈值为3.8V至4.25V滞回电压约200mV可有效防止电源瞬态跌落导致的总线异常。功耗是星上器件选型的关键指标之一。根据实测数据ASM1042S2S在正常模式显性状态下的典型供电电流为40mA隐性状态下仅为1.5mA待机模式下的典型功耗低至0.5μA。在低轨卫星的向阳面/背阳面交替运行周期中电源系统需要精细管理各分系统的能耗预算该器件的低待机功耗特性使其适用于需要周期性唤醒的星上通信节点设计。在I/O供电方面正常模式下的I/O功耗典型值为90μA待机模式下为12μA这对于采用电池供电的纳卫星和立方星平台尤为有利。四、抗辐射性能试验数据与空间环境适应性评估空间辐射环境对通信接口芯片的威胁主要体现在电离总剂量效应和单粒子效应两个维度。ASM1042S2S在这两个维度上均通过了第三方权威机构的系统性试验验证。在总剂量效应方面北京中科芯试验空间科技有限公司依据QJ 10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》在北京大学技术物理系钴60源平台上开展了总剂量辐照试验。试验条件为剂量率25rad(Si)/s累积辐照剂量150krad(Si)该剂量水平包含了50%的过辐照裕量。试验样品在辐照前后及168小时高温退火后的电参数测试与CANFD通信功能测试均合格表明该器件的抗总剂量能力不低于150krad(Si)。在单粒子效应方面中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心利用中国原子能科学研究院H-13串列加速器提供的Ge离子束开展了重离子单粒子试验。辐照条件为离子能量205MeV硅中LET值37.4MeV·cm²/mg总注量1×10⁷ ion/cm²。试验过程中器件5V工作电流稳定在8mA左右通信数据速率为5Mbps通道1发送数据54328帧、接收数据54333帧通道2发送数据54333帧、接收数据54328帧未观测到单粒子锁定SEL或单粒子翻转SEU现象。据此判定该器件的单粒子锁定和单粒子翻转LET阈值大于37.4MeV·cm²/mg。此外北京中科芯试验空间科技有限公司在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上开展了质子单粒子效应试验。试验采用100MeV质子束注量率为1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹总注量达到1×10¹⁰ p/cm²。试验后器件功能正常未出现单粒子效应。质子单粒子试验结果与重离子试验结果相互印证从粒子种类和能量覆盖的角度增强了抗单粒子效应评估的可信度。值得关注的是中国科学院国家空间科学中心还采用脉冲激光单粒子效应试验方法对ASM1042A型芯片与ASM1042S2S同系列进行了对比评估。在LET值高达100MeV·cm²/mg的激光能量3050pJ辐照下ASM1042A未出现单粒子效应。作为对照同场测试的SIT1042AQ型芯片在LET约37MeV·cm²/mg时出现SELTCAN1042HGVD型芯片在相同LET水平下亦出现SEL。该对比试验从器件结构抗辐射设计的角度间接验证了ASM1042系列芯片在抗单粒子锁定方面具有相对优势。五、在轨飞行验证与工程应用参考地面辐照试验虽然能够在一定程度上模拟空间辐射环境但真实的在轨飞行验证是评估航天元器件可靠性的最高标准。根据长沙天仪空间科技研究院有限公司出具的在轨应用证明ASM1042S2S芯片已在两颗在轨卫星中获得实际应用地质遥感智能小卫星TY29天仪29星和光学遥感卫星TY35天仪35星两颗卫星均于2025年5月发射入轨。在该应用中ASM1042S2S作为抗辐射CANFD接口芯片承担通信系统的数据传输任务接口速率为5Mbps。自入轨以来芯片运行正常接口通信稳定功能和性能满足卫星在轨应用需求。这一在轨验证案例为ASM1042S2S在低轨卫星星座中的批量应用提供了直接的工程参考。对于计划部署数十至数百颗卫星的商业星座而言选用已经过在轨飞行验证的通信接口芯片有助于降低系统级可靠性验证的成本与周期。值得注意的是天仪研究院作为国内领先的商业卫星公司其卫星平台的技术状态和可靠性要求代表了商业航天市场的主流水平ASM1042S2S能够在该平台中获得应用并通过在轨验证说明其技术成熟度已达到可批量交付的等级。六、结论综上所述ASM1042S2S型CANFD收发器在电气性能、协议符合性、抗辐射指标和在轨验证等方面展现出与低轨卫星星座通信系统需求的高度匹配性。其5Mbps的数据传输能力、±70V总线故障保护、150krad(Si)的抗总剂量能力和不低于37.4MeV·cm²/mg的单粒子效应LET阈值为星上数据通信链路提供了物理层级的可靠性保障。该器件已在2025年发射的商业遥感卫星中获得在轨应用验证为其在更广泛商业航天项目中的推广提供了实践依据。对于正在寻求国产化、高可靠星上通信解决方案的商业航天企业而言ASM1042S2S是一个经过系统试验验证和工程实践检验的可行选项。
一、研究背景与低轨卫星星座通信需求随着全球商业航天产业的快速发展低轨卫星星座已成为构建天地一体化信息网络的重要基础设施。以遥感、导航增强和宽带通信为典型应用场景的低轨卫星系统其星上电子系统需要在严苛的空间辐射环境中保持长期稳定运行。根据空间辐射环境模型低地球轨道LEO卫星虽然处于地球磁层的部分屏蔽区域内但仍持续受到银河宇宙射线GCR和太阳粒子事件SPE产生的高能质子及重离子的辐照。这些高能粒子与半导体器件相互作用可能引发总剂量效应TID、单粒子锁定SEL和单粒子翻转SEU等辐射损伤机制对星上通信接口芯片的可靠性构成显著威胁。在低轨卫星的星座化部署趋势下单颗卫星的研制成本与周期被大幅压缩但对其电子系统的可靠性要求并未降低。星上通信网络作为连接姿态控制、电源管理、载荷数据处理与地面测控站的核心链路其物理层收发器件的辐射耐受能力直接决定了卫星的在轨寿命与任务成功率。传统的工业级CAN收发器虽然在地面车辆网络中表现优异但其抗辐射指标通常未经过系统性的空间环境适应性验证难以直接移植至航天应用场景。因此面向商业航天市场、具备明确抗辐射指标且通过第三方权威机构试验验证的CANFD通信接口芯片成为当前低轨卫星电子系统设计的迫切需求。从全球低轨卫星星座的发展态势来看以Starlink、OneWeb和Kuiper为代表的宽带通信星座以及以Planet Labs和Spire为代表的遥感与气象星座正在推动卫星制造模式从传统的小批量定制向规模化量产转变。在这一背景下星上电子元器件的选型标准也在发生深刻变化一方面元器件需要满足航天应用的基本可靠性要求另一方面其供应链稳定性、采购成本和交付周期需要适应规模化生产的节奏。国产化抗辐射通信接口芯片的成熟对于保障我国商业航天产业链的自主可控具有战略意义。二、CANFD协议在低轨卫星星内网络中的技术优势控制器局域网CAN协议自二十世纪八十年代问世以来已广泛应用于汽车电子、工业自动化和轨道交通等领域。CAN FDController Area Network with Flexible Data-rate作为CAN协议的演进版本在保持原有总线仲裁机制的基础上将数据段传输速率提升至最高5Mbps同时将单帧数据载荷从8字节扩展至64字节。对于星上电子系统而言CANFD协议的多主总线架构、非破坏性仲裁机制和差分信号传输方式使其在电磁兼容性EMC和总线利用率方面具有天然优势。低轨卫星内部通常包含姿态确定与控制、电源管理、热控管理、载荷管理等多个功能分系统这些分系统之间的控制指令与状态参数交换具有数据量小、实时性要求高、可靠性要求严苛的特点。CANFD总线以两根双绞线即可实现多节点互联显著降低了星上电缆束的质量与复杂度这对于对重量极为敏感的商业小卫星而言具有重要意义。此外CANFD协议的循环冗余校验CRC和错误帧自动重发机制为星上数据通信提供了链路层级的错误检测与恢复能力。与传统的RS-422/485多点总线相比CANFD在拓扑灵活性方面具有明显优势。RS-485总线通常采用主从轮询方式通信主节点故障会导致整个网络瘫痪而CANFD的多主架构允许任何节点在总线空闲时主动发送数据且通过标识符优先级仲裁确保高优先级帧的实时传输。这种去中心化的通信模式与卫星平台各分系统自主运行的架构特点高度契合。此外CANFD总线在物理层采用差分信号传输对共模干扰具有较强的抑制能力这对于星上复杂电磁环境中的应用尤为重要。三、ASM1042S2S型CANFD收发器的电气特性与协议符合性ASM1042S2S型CANFD收发器是国科安芯面向商业航天市场推出的专用通信接口芯片采用SOP8封装形式工作温度范围为-55℃至125℃。该器件的物理层设计严格遵循ISO 11898-2:2016和ISO 11898-5:2007标准支持最高5Mbps的数据传输速率其典型环路延时为110ns能够满足CANFD协议对物理层对称传播延迟的严格要求。在电气特性方面该收发器支持3.3V和5V两种I/O电平标准可通过VIO引脚灵活适配不同电压等级的微控制器MCU这一特性对于星上电子系统中异构处理架构的集成具有实用价值。在总线保护能力方面ASM1042S2S的CANH和CANL引脚具备±70V的总线故障保护电压和±30V的共模输入电压范围。这一设计参数对于星上应用尤为重要因为在航天器发射阶段的振动环境以及在轨运行期间的热真空循环可能导致电缆连接出现瞬时短路或接地异常。此外该器件集成了欠压保护UVP、热关断保护TSD和显性超时保护TXD DTO等多重保护机制。测试数据表明其VCC欠压保护上升阈值为4.2V至4.4V下降阈值为3.8V至4.25V滞回电压约200mV可有效防止电源瞬态跌落导致的总线异常。功耗是星上器件选型的关键指标之一。根据实测数据ASM1042S2S在正常模式显性状态下的典型供电电流为40mA隐性状态下仅为1.5mA待机模式下的典型功耗低至0.5μA。在低轨卫星的向阳面/背阳面交替运行周期中电源系统需要精细管理各分系统的能耗预算该器件的低待机功耗特性使其适用于需要周期性唤醒的星上通信节点设计。在I/O供电方面正常模式下的I/O功耗典型值为90μA待机模式下为12μA这对于采用电池供电的纳卫星和立方星平台尤为有利。四、抗辐射性能试验数据与空间环境适应性评估空间辐射环境对通信接口芯片的威胁主要体现在电离总剂量效应和单粒子效应两个维度。ASM1042S2S在这两个维度上均通过了第三方权威机构的系统性试验验证。在总剂量效应方面北京中科芯试验空间科技有限公司依据QJ 10004A-2018《宇航用半导体器件总剂量辐照试验方法》在北京大学技术物理系钴60源平台上开展了总剂量辐照试验。试验条件为剂量率25rad(Si)/s累积辐照剂量150krad(Si)该剂量水平包含了50%的过辐照裕量。试验样品在辐照前后及168小时高温退火后的电参数测试与CANFD通信功能测试均合格表明该器件的抗总剂量能力不低于150krad(Si)。在单粒子效应方面中国科学院国家空间科学中心可靠性与环境试验中心利用中国原子能科学研究院H-13串列加速器提供的Ge离子束开展了重离子单粒子试验。辐照条件为离子能量205MeV硅中LET值37.4MeV·cm²/mg总注量1×10⁷ ion/cm²。试验过程中器件5V工作电流稳定在8mA左右通信数据速率为5Mbps通道1发送数据54328帧、接收数据54333帧通道2发送数据54333帧、接收数据54328帧未观测到单粒子锁定SEL或单粒子翻转SEU现象。据此判定该器件的单粒子锁定和单粒子翻转LET阈值大于37.4MeV·cm²/mg。此外北京中科芯试验空间科技有限公司在中国原子能科学研究院100MeV质子回旋加速器上开展了质子单粒子效应试验。试验采用100MeV质子束注量率为1×10⁷ p·cm⁻²·s⁻¹总注量达到1×10¹⁰ p/cm²。试验后器件功能正常未出现单粒子效应。质子单粒子试验结果与重离子试验结果相互印证从粒子种类和能量覆盖的角度增强了抗单粒子效应评估的可信度。值得关注的是中国科学院国家空间科学中心还采用脉冲激光单粒子效应试验方法对ASM1042A型芯片与ASM1042S2S同系列进行了对比评估。在LET值高达100MeV·cm²/mg的激光能量3050pJ辐照下ASM1042A未出现单粒子效应。作为对照同场测试的SIT1042AQ型芯片在LET约37MeV·cm²/mg时出现SELTCAN1042HGVD型芯片在相同LET水平下亦出现SEL。该对比试验从器件结构抗辐射设计的角度间接验证了ASM1042系列芯片在抗单粒子锁定方面具有相对优势。五、在轨飞行验证与工程应用参考地面辐照试验虽然能够在一定程度上模拟空间辐射环境但真实的在轨飞行验证是评估航天元器件可靠性的最高标准。根据长沙天仪空间科技研究院有限公司出具的在轨应用证明ASM1042S2S芯片已在两颗在轨卫星中获得实际应用地质遥感智能小卫星TY29天仪29星和光学遥感卫星TY35天仪35星两颗卫星均于2025年5月发射入轨。在该应用中ASM1042S2S作为抗辐射CANFD接口芯片承担通信系统的数据传输任务接口速率为5Mbps。自入轨以来芯片运行正常接口通信稳定功能和性能满足卫星在轨应用需求。这一在轨验证案例为ASM1042S2S在低轨卫星星座中的批量应用提供了直接的工程参考。对于计划部署数十至数百颗卫星的商业星座而言选用已经过在轨飞行验证的通信接口芯片有助于降低系统级可靠性验证的成本与周期。值得注意的是天仪研究院作为国内领先的商业卫星公司其卫星平台的技术状态和可靠性要求代表了商业航天市场的主流水平ASM1042S2S能够在该平台中获得应用并通过在轨验证说明其技术成熟度已达到可批量交付的等级。六、结论综上所述ASM1042S2S型CANFD收发器在电气性能、协议符合性、抗辐射指标和在轨验证等方面展现出与低轨卫星星座通信系统需求的高度匹配性。其5Mbps的数据传输能力、±70V总线故障保护、150krad(Si)的抗总剂量能力和不低于37.4MeV·cm²/mg的单粒子效应LET阈值为星上数据通信链路提供了物理层级的可靠性保障。该器件已在2025年发射的商业遥感卫星中获得在轨应用验证为其在更广泛商业航天项目中的推广提供了实践依据。对于正在寻求国产化、高可靠星上通信解决方案的商业航天企业而言ASM1042S2S是一个经过系统试验验证和工程实践检验的可行选项。
