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揭秘CUBESAT小卫星(一)——总览南京理工大学立方星研究室
发表日期:2014-05-22 15:50:53 来源: 作者: 【 】 浏览:7081次 评论:0

/于小

前言

CubeSat是近几年航天器领域的研究热点。因其体积小、重量轻、成本低、功能扩展性强等优点,发展速度十分迅猛。我所在的南京理工大学立方星研究室致力于CubeSat相关的科研,计划在未来的两年内研制并发射三颗携带有业余无线电载荷的小卫星。在此,我和我的同学们将以连载的形式向大家介绍CubeSat的方方面面,包括总览、星载收发信设备、通信链路、地面站、轨道和姿态控制、热控和星载计算机。希望大家喜欢并多提宝贵意见。

 

CubeSat

CubeSat翻译成中文叫立方体纳卫星。1999年,美国加州理工州立大学(Cal Poly University)与斯坦福大学(Stanford University)提出了这个概念,来帮助全球的高校进入空间科学和探索的领域。CubeSat的标准外形为10cm×10cm×10cm的立方体,我们称之为1U,质量12kg,输出功率相当于普通手机。根据任务的需要,也可将CubeSat扩展为双单元(2U)或者三单元(3U)。在过去的几年中,随着微电子机械系统的迅猛发展,CubeSat项目取得了很大的成功,全球至少有60所大学和研究院所参与Cubesat卫星技术的研究,包括加拿大、日本、丹麦、荷兰、英国、瑞士和美国等。目前大约有近100颗立方体纳卫星已发射入轨。

1 AAUSat一单元立方星

2 荷兰代尔夫特理工大学三单元立方星

所谓麻雀虽小五脏俱全。立方体纳卫星虽然体积小,但大卫星需要的系统它身上也都有,包括星务管理、通信、电源、姿态确定与控制、结构热控、载荷等。不同的卫星任务决定了星上载荷的不同,从而对其他分系统的要求也不同,会根据具体的情况进行不同的设计。比如载荷的体积较大,就要选择2U或者3U的卫星,耗电量较大的载荷就需要增加太阳能帆板等。

最早的几颗CubeSat2003630日在俄罗斯的普列谢茨克发射,由EUROCKOT提供发射服务,并被送入太阳同步轨道,包括丹麦艾尔堡大学AAUSat(如图1所示)和DTUSat小卫星,日本研制的XI-IVCUTE-1,加拿大研制的CanX-1小卫星和美国的QuakeSat小卫星。此后,每年均有10颗左右的立方星升空。其中既有以大学在校学生为主体设计的卫星,也有波音公司这样的国际一流宇航公司设计、制造的试验卫星。如图2所示为荷兰代尔夫特(Delft)理工大学制造的Delfi-n3Xt三单元立方星。

由于CubeSat一般飞行在较低的轨道上,设计和制造过程中大量采用商用元器件取代昂贵的航天级器件,有些甚至利用廉价的手机主板进行改造,使得卫星的成本大大降低,便宜的立方体纳卫星建造成本只需几十万人民币,仅为传统小卫星的百分之一,大大降低了卫星开发的门槛。让人感到神秘万分的卫星走入各大高校。

立方体纳卫星的体积和功耗有限,功能比较单一,但是如果开发出标准的纳卫星平台,在其基础上装载不同的有效载荷,利用一箭多星的发射特点,可以满足不同的飞行任务需要。目前这一思路正被国内外研究者广泛应用,比如欧盟的QB50项目利用50CubeSat进行低层大气研究,美国NASA 正在开发的自动操作、微型遥感器和结构紧凑的小推力推进系统等,力争卫星微型化,使立方体纳卫星在太空空间发挥其更大的价值。

其实从一开始,CubeSat就和业余无线电有着密不可分的关系。比如XI-IV的业余卫星编号就是CO-58CUTE ICO-55CUTE-1.7CO-65等。近期发射的FunCube-1对应的编号是AO-73。许多CubeSat都工作在业余频段,业余爱好者利用手中的地面站就可以接收他们的信标和遥测信号,或利用搭载的转发器互相通信。

 

QB50

QB50项目(如图3所示为其LOGO)是由比利时冯卡门流体力学研究所牵头,联合欧空局、西北工业大学、荷兰代尔夫特理工大学、英国萨瑞大学空间中心、斯坦福大学等研究机构共同提出,欧盟出资确定的第七框架协议旗舰项目。项目采用 50 颗卫星组网,实现对目前人类尚未深入涉足的低热层(90 300km)大气的中性粒子、带电离子的组成与分布、阻力参数、大气温度与磁场进行多点在轨测量,同时开展卫星再入大气层过程的相关研究。所有50颗卫星将由来自全球30多个国家和地区的大学生们研制完成,中国的哈尔滨工业大学、西北工业大学、国防科技大学、南京理工大学、北京航空航天大学、浙江大学、上海科技大学7所高校入选。项目计划于 2015 4 月由乌克兰提供的运载火箭同时发射,轨道高度约380km,轨道倾角为79°。卫星从发射到坠落生命周期为大约3个月。在完成大气探测这一基本功能的基础上,项目还将开展卫星编队飞行、太阳帆推进、太空垃圾清除、航天器再入返回等多项创新型在轨试验研究,图4为运载将50颗卫星发射入轨情形。

3 QB50项目LOGO

4 运载将50颗立方星发射进入轨

QB50项目采用的50颗卫星全部采用立方体纳卫星,标准的立方体纳卫星采用“1U”架构,即外形尺寸为10cm×10cm×10cm。在此基础上可根据任务需要扩展为2U10cm×10cm×20cm)单元或3U10cm×10cm×30cm)单元。整个任务采用402U立方体纳卫星组成大气探测网络,其余102U3U卫星用于轨演示验证和卫星再入大气层试验,包括2U/3U模块化分离机构在轨测试、太阳帆技术、大气层再入技术、利用阻力帆和电动缆绳使卫星变轨并坠落技术等。

5 GENSO网络分布图

QB50项目卫星上下行频率采用VHF/UHF业余频段,由于卫星数目较多,卫星寿命也仅仅只有三个月,因此其可以利用较多的地面业余电台来完成卫星测控任务,获得更多有效的试验数据,QB50项目组将开启全球包含100个地面站的全球卫星运行教育网络(GENSO, Global Educational Network for Satellite Operations),同时在西北工业大学、比利时冯卡门流体动力学研究所、美国斯坦福大学三处设立飞行任务控制中心,建立了全球卫星测控网络,利用GENSO网络可以对在轨卫星进行跟踪和遥测数据接收,紧急时刻进行遥控管理,如图5所示为GENSO网络分布图。QB50项目卫星的发射也为广大业余无线电爱好者提供了更多尝试的机会,在接收50颗卫星信号中获得更多的乐趣,有条件的甚至可以将接收的数据转发至飞行任务控制中心。

6 地面站天线

7 地面站室内设备

南京理工大学于20126月加入QB50项目,除卫星结构需按项目组要求设计外,其他分系统均采用自研的方式进行,目前各个分系统都已取得较大进展。其中,卫星地面站于201312月建设完成,该地面站可工作于VHF/UHF/S三个波段,具有多频段、多模式收发能力,通过采用一定措施如采用高增益八木天线(如图6所示),加入前置放大器等措施来提升地面站的接收能力,目前成功接收希望一号、CO58等卫星信标。

 

南京理工大学立方体纳卫星NJUST-1

立方体纳卫星一般由两大部分组成,即平台单元与载荷单元,平台单元用于实现卫星功能,主要包括电源、星务管理、姿态确定与控制、结构热控、通信等部分,实现飞行任务所需要的三轴稳定控制,载荷数据采集,遥测数据采集,通信上下行等,载荷单元根据任务的不同而不同,如QB50项目中NJUST-1(如图8所示)载荷采用FIPEX氧探测传感器,希望一号卫星(XW-1)采用线性转发器。

QB50项目中立方体纳卫星NJUST-1采用2U的形式,麻雀虽小,五脏俱全。立方星平台总体包含六个分系统:姿态确定与控制、电源、通信、星务计算机、结构热控和载荷组成,系统组成框图如图9所示。

8 NJUST-1模型

 9 卫星系统组成

卫星姿态确定与控制分系统利用磁强计和地球地磁场模型进行对比来确定卫星的姿态,控制部分采用主动磁控制方式,利用Y轴偏置动量轮对卫星姿态进行姿态粗调,三轴磁棒来对卫星各个方位姿态进行微调,实现Y轴的对地稳定,姿态稳定度可达0.02°/s。目前已经完成磁棒(如图10所示)的绕制以及动量轮的选型,正在设计磁棒的驱动电路和调试试验,卫星地面的半物理仿真(通过在地面模拟设备上模拟太空环境,来观测卫星姿态的确定与控制能力)也在搭建之中,太空磁场模拟器已绕制完成(如图11所示)。

10 磁棒

11 太空磁模拟器

卫星电源分系统采用蓄电池与太阳能电池片的组合形式,太阳能电池片采用三结砷化镓,转换效率高达93%。蓄电池容量为5400mAh。可为星上提供3.3V5V电压,具有过充过放保护功能。第一块电源电路板已经完工(如图12所示),电源的电压和功率均满足星上的要求,鉴于输出纹波较大80mV,对星务计算机的高速处理部分会产生影响,目前正在进行部分电路的修改,设计电路输出纹波会降至10mV

12星上电源模块

13 星上收发信机

卫星通信分系统主要部件为收发信机,采用自研的方式,QB50项目组要求该收发机需遵循Ax.25协议,上行工作于VHF业余频段,采用AFSK调制模式,数传码速率为1 200bps,下行工作于UHF业余频段,采用BPSK调制模式,数传码速率为1 2009 600bps,可全双工工作。在满足QB50项目要求同时,我们也设计了星上CW信标机,UHF/VHF波段SDR收发机,电路正处于调试阶段,预计会在20146月完成,如图13所示为星载收发信机。

如图14所示为卫星星务计算机,通过星上数据的有效传递和集中处理,协调各个分系统的工作状态和任务时序,并在可能出现的故障状态下,制定和采取有效对策,从而确保卫星飞行任务的完成。CPU采用32ARM7,主频40MHz,静态存储及Flash存储分别为2MB8MB,功耗0.35W,星务计算机共由8个功能模块组成:应用软件初始化,载荷管理,串口管理,遥测管理,姿控算法,故障管理,遥控管理,时钟管理和大容量存储器管理。目前该板已经调试成功,为了以后卫星任务的拓展,采用FPGA的星务计算机也在紧锣密鼓的设计之中。

14 星务计算机

15 ISIS-POD

卫星结构应QB50项目组要求需采用适合ISIS-POD(固定于火箭上用于弹出卫星的分离装置,见图15)分离装置的两单元立方体结构,方案采用ISIS在轨验证方案,热控系统采用被动热控方式,在太阳能电池片和基板之间放置有50μm厚的Kapton隔热薄膜,减少星内温度变化幅度。在立方星机架、顶部和底部、太阳能电池片内侧面及外表面进行黑色阳极化处理,利用高发射率可以均衡内部温度,可以保证星内线路板温度在-40℃~+70℃,锂离子蓄电池温度0℃~+40℃,载荷温度-20℃~+40℃。目前正在做结构和热控的仿真工作。

16 FIPEX微传感器

17 QB50任务对90320km大气区间进行探测

NJUST-1卫星载荷选择FIPEX大气探测载荷(如图16所示),由德国德累斯顿工业大学研制,载荷内部核心元件为固体氧化物电解质微传感器,能够在极低压的情况下区分并测量氧原子和氧分子的浓度,分辨率可达2×10-9mbar,对轨道高度38090km范围内大气成分不断采集,直至卫星寿命结束。如图17所示为QB50任务在90320km大气区间的探测过程。

南京理工大学除参与QB50项目在研究2U立方体纳卫星外,在2015年年底也有两颗立方体纳卫星的发射任务,两颗卫星同时发射,分别采用2U3U的结构,主要用于验证星间通信,SDR结构的AIS接收机、ADS-B接收机、GPS接收机及UHF/VHF波段线性转发器,其中SDR结构UHF/VHF线性转发器主要服务于广大业余无线电爱好者,通过我们的CubeSat也可实现远距离通信,相信HAM能在其中找到更多的乐趣。

 

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Tags:揭秘 CUBESAT 卫星 总览 南京 理工大学 立方 研究室 责任编辑:许博翔
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