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宇宙電子工学とは、宇宙船で使用される電子システム、サブシステム、およびコンポーネントの開発と応用に関する科学技術のことです。宇宙船に搭載される電子システムは組み込みシステムであり、姿勢決定および制御、通信、コマンドおよびテレメトリ、コンピュータシステムなどが含まれます。センサーとは、宇宙船に搭載される電子部品のことです。
設計プロセスにおいて、エンジニアにとって最も重要な考慮事項の一つは、宇宙船のシステムやコンポーネントが動作し、耐えなければならない環境である。宇宙環境向けのシステムやコンポーネントを設計する際の課題は、宇宙が真空であるという事実だけにとどまらない。
宇宙船のミッションと性能において、電子機器とセンサーが果たす最も重要な役割の1つは、宇宙船の姿勢、つまり宇宙空間における向きを決定し制御することです。宇宙船の向きはミッションによって異なります。気象衛星や通信衛星のように、宇宙船を静止させて常に地球に向ける必要がある場合もあります。しかし、宇宙船を軸を中心に固定し、回転させる必要がある場合もあります。姿勢決定・制御システム（ACS）は、宇宙船が正しく動作していることを保証します。以下に、ACSが姿勢を決定するために必要な測定値を取得する方法をいくつか示します。
磁力計は、地球の磁場の強さを一方向で測定します。3軸すべてで測定するには、必要な装置は3つの直交する磁力計で構成されます。宇宙船の位置が分かれば、磁場の測定値を、国際地磁気基準場モデルによって与えられる既知の磁場と比較できます。磁力計による測定値は、アライメント誤差、スケールファクター誤差、宇宙船の電気的活動からなるノイズの影響を受けます。地球近傍軌道では、モデル化された磁場方向の誤差は、赤道付近の0.5度から磁極付近の3度まで変化する可能性があり、磁極付近では不規則なオーロラ電流が大きな役割を果たします。[ 1 ]： 258このような装置の限界は、地球から遠い軌道では磁場が弱すぎて、実際には複雑で予測不可能な惑星間磁場が支配的になることです。
太陽センサーは、長方形のチャンバー上部にある細いスリットから入射する光を利用して動作します。この光は、チャンバー底部に細い線状の像を投影します。チャンバー底部には、光に反応するセルが網目状に並んでいます。これらのセルは、像の中心線からの距離を測定し、チャンバーの高さを用いて屈折角を決定します。セルは光電効果に基づいて動作します。入射光子が電子を励起し、セルに電圧が発生します。この電圧はデジタル信号に変換されます。2つのセンサーを互いに垂直に配置することで、センサー軸に対する太陽の方向全体を測定できます。
DSADとも呼ばれるこれらのデバイスは、純粋なデジタル太陽センサーです。センサー内の感光セルの中で最も強く照らされているセルを特定することで、太陽の角度を決定します。隣接するピクセルに当たる光の強度を知ることで、太陽の重心の方向を数秒角の精度で計算できます。[ 1 ]： 261
静止型地球水平線センサーは、複数のセンサーを備え、地球表面からの赤外線放射を、地球よりもわずかに広い視野で感知します。地球中心の決定精度は、地球近傍軌道では0.1度、静止軌道（GEO）では0.01度です。その使用は一般的に円軌道を持つ宇宙船に限定されています。[ 1 ]： 262
走査型地球水平線センサーは、回転する鏡またはプリズムを使用し、狭い光線を通常ボロメータと呼ばれる検出素子に集束させます。回転によってデバイスが円錐状の領域を走査し、センサー内部の電子回路が地球からの赤外線信号が最初に受信され、その後途絶えた時点を検出します。この間の時間差を利用して地球の幅を決定し、そこからロール角を算出します。このようなセンサーの精度に影響を与える要因の一つは、地球が完全な円形ではないことです。また、センサーが陸地や海洋ではなく、季節や緯度によって特定の強度に達する大気中の赤外線を検出することも、精度に影響を与える要因の一つです。
このセンサーは、1つの信号を使用して多くの特性を決定できるという点でシンプルです。信号には、衛星識別、位置、伝搬信号の持続時間、およびクロック情報が含まれています。[ 2 ] 36個のGPS衛星のコンステレーション（必要なのは4個のみ）を使用して、ナビゲーション、測位、正確な時刻、軌道、および姿勢を決定できます。GPSの利点の1つは、低地球軌道から静止軌道までのすべての軌道でACSにGPSを使用できることです。
宇宙船にとって不可欠なもう一つのシステムは、コマンド・テレメトリシステムです。実際、このシステムは冗長化される最初のシステムと言えるほど重要です。地上局から宇宙船への通信はコマンドシステムが担います。テレメトリシステムは、宇宙船から地上局への通信を処理します。地上局からの信号は宇宙船に指示を送るためのものであり、テレメトリシステムは宇宙船の重要な情報やミッション固有のデータなど、これらの指示の状況を報告します。
コマンドシステムの目的は、宇宙機に実行すべき一連の命令を与えることです。宇宙機へのコマンドは優先順位に基づいて実行されます。即時実行が必要なものもあれば、実行前に経過しなければならない特定の遅延時間、コマンドを実行しなければならない絶対時刻、またはコマンド実行前に発生しなければならないイベントもしくはイベントの組み合わせを指定するものもあります。[ 1 ]： 600宇宙機は、受信したコマンドに基づいてさまざまな機能を実行します。これには、宇宙機のサブシステムまたは実験装置への電力供給または電力除去、サブシステムの動作モードの変更、宇宙機の誘導およびACSのさまざまな機能の制御などが含まれます。コマンドは、ブーム、アンテナ、太陽電池アレイ、および保護カバーも制御します。コマンドシステムは、プログラム可能なマイクロプロセッサベースの搭載サブシステムのRAMにプログラム全体をアップロードするためにも使用できます。[ 1 ]： 601
地上から送信された無線周波数信号は、コマンド受信機で受信され、増幅および復調されます。信号は長距離伝送後に非常に弱くなるため、増幅が必要です。コマンドシステムの次の段階はコマンドデコーダです。この装置はサブキャリア信号を検査し、それが運ぶコマンドメッセージを検出します。デコーダの出力は通常、ゼロ復帰しないデータです。コマンドデコーダはコマンドロジックにクロック情報も提供し、これによりシリアルデータライン上のビットが有効になったタイミングがコマンドロジックに通知されます。コマンドプロセッサに送信されるコマンドビットストリームには、宇宙機特有の機能があります。送信されるさまざまな種類のビットの中で、最初のビットは宇宙機アドレスビットです。これらは特定の宇宙機の固有の識別コードを運び、意図したコマンドが他の宇宙機によって実行されるのを防ぎます。これは、同じ周波数と変調方式を使用する衛星が多数存在するため必要です。[ 1 ]： 606
マイクロプロセッサはコマンドデコーダから入力を受け取り、ROMまたはRAMに格納されたプログラムに従ってこれらの入力を処理し、その結果をインターフェース回路に出力します。コマンドの種類とメッセージは非常に多岐にわたるため、ほとんどのコマンドシステムはプログラマブルマイクロプロセッサを使用して実装されています。必要なインターフェース回路の種類は、プロセッサから送信されるコマンドに基づいています。これらのコマンドには、リレーコマンド、パルスコマンド、レベルコマンド、およびデータコマンドがあります。リレーコマンドは、中央電源スイッチングユニット内の電磁リレーのコイルを動作させます。パルスコマンドは、コマンドロジックによって適切なサブシステムに送信される短い電圧または電流パルスです。レベルコマンドは、論理パルスコマンドとまったく同じですが、論理パルスの代わりに論理レベルが送信されます。データコマンドは、データワードを宛先サブシステムに転送します。[ 1 ]： 612～615
地上管制が宇宙船の行動を把握していなければ、宇宙船への指令は無意味です。テレメトリには、次のような情報が含まれます。
テレメトリシステムは、センサー、コンディショナー、セレクター、コンバーターからのデータ取得、圧縮、フォーマット、ストレージなどの処理、そして最終的にエンコード、変調、送信、アンテナを含む送信を担当します。
宇宙船のテレメトリシステム設計にはいくつかの独自の特徴があります。その 1 つは、 LEOの衛星は高速で移動しているため、特定の地上局と通信できるのは 10 分から 20 分しかないという事実への対応です。これは、何百もの地上局が常に通信を維持する必要があることを意味しますが、これは全く現実的ではありません。この問題に対する 1 つの解決策は、オンボードデータ ストレージです。データ ストレージは、軌道全体でデータをゆっくりと蓄積し、地上局の上空でそれを素早くダンプできます。深宇宙ミッションでは、レコーダーはしばしば逆の方法で使用され、高速データを取得し、データ レート制限のあるリンクを介してそれをゆっくりと再生します。[ 1 ] : 567もう一つの解決策は、データ中継衛星です。NASAは、LEO 衛星からのコマンドとテレメトリを中継するTDRS (追跡およびデータ中継衛星)と呼ばれる静止軌道衛星を保有しています。TDRS 以前は、宇宙飛行士は、世界中の 14 か所の NASA 地上局を使用して、軌道の約 15% の間だけ地球と通信できました。 TDRSでは、ニューメキシコ州ホワイトサンズにある単一の地上局から、低高度衛星のグローバルなカバレッジが実現されている。[ 1 ]： 569
テレメトリシステムのもう一つの特徴は自律性です。宇宙機は、地上管制とのやり取りなしに、内部機能を監視し、情報に基づいて行動できる能力を必要とします。自律性の必要性は、地上カバレッジの不足、通信ジオメトリ、地球・太陽線に近すぎる（太陽ノイズが無線周波数に干渉する）、あるいは単にセキュリティ上の理由といった問題から生じます。自律性が重要なのは、テレメトリシステムが既に宇宙機の機能を監視する能力を備え、コマンドシステムが実行すべき行動のニーズに基づいて再構成に必要なコマンドを発行できる能力を備えているためです。このプロセスには次の3つのステップがあります。
1. テレメトリシステムは、監視対象の機能のいずれかが正常範囲から逸脱したことを認識できなければならない。
2. コマンドシステムは、異常な機能を解釈する方法を知っていなければならず、それによって適切なコマンド応答を生成できる。
3. 指令システムとテレメトリシステムは相互に通信できる必要がある。[ 1 ]： 623
センサーは、ヘルスセンサーとペイロードセンサーの2つのカテゴリに分類できます。ヘルスセンサーは、宇宙船またはペイロードの機能を監視し、温度センサー、ひずみゲージ、ジャイロスコープ、加速度計などが含まれます。ペイロードセンサーには、レーダー画像システムや赤外線カメラなどが含まれます。ペイロードセンサーはミッションの存在意義の一部を表していますが、最適な動作を確保するためにシステムを測定および制御するのはヘルスセンサーです。