低成本立方体纳卫星

时间:2018-11-12  来源:  作者:
本作品是基于国际统一的立方体卫星标准设计的一款低成本、通用化的航天器平台。通过模块化设计、系统资源预留以及软件开放性优化,可实现对对大气探测、对地观测、空间组网等不同载荷的快速适配,可用于满足500km以下轨道的微小型空间任务需求。作品采用成熟商用元器件,研发制造成本低。同时,多载荷适配性保证卫星在不同任务间改动尽可能少,进一步降低后期重新设计成本,缩短开发周期。 详细介绍: 随着航天研究的不断深入,针对低轨道的空间探测任务以及对地观测任务的需求被不断提出,同时来自生物、医药、通信等不同领域研究单位的产品也产生越来越多的空间环境试验需求。传统卫星产业在满足此类小型化需求时,存在着成本高、周期长等不足。低成本立方体纳卫星正是针对此类低轨道小型空间科学试验任务而研制的一种具备多载荷适配性的低成本航天器平台。
本作品基于立方体纳卫星国际标准设计。立方体纳卫星,作为纳型卫星(质量小于10kg)的一种,是1999年由美国加州理工州立大学与斯坦福大学提出的一种卫星设计标准,其规定尺寸约10cm×10cm×10cm的标准立方体为一单元(1U),质量1~2kg。根据任务的需要,也可将立方体卫星扩展为双单元(2U)或者三单元(3U)。 作品采用双单元配置,整体最大包络尺寸112.8mm×112.3mm×227.6mm。本作品平台核心系统具备完全的自主知识产权,包含自研制的星务计算机分系统、电源分系统、姿态确定与控制分系统、结构及热控分系统。五大分系统由星务计算机统一调度,实现对整星的结构热环境监测、电气及数据接口支持、能源分配、三轴稳定控制、星地数据传输等功能。作品设计充分考虑卫星对不同类型载荷的适配性,有针对性的采取接口预留、设计冗余、软件开放性设计等手段,使得卫星平台与载荷的对接与联调得到极大简化,实现单一卫星平台对包括星间通信、对地探测、科学试验等多种不同类型的载荷的适配。 本作品针对低轨道空间辐射量较小的特点,大量采用商用元器件取代昂贵的航天级器件,同时采取自研方式替代昂贵的国外星上部件,通过优化项目开发管理与产品管理流程,极大降低了研发制造成本,仅为传统卫星的10%左右。由于本身体积重量小,可作为其他大卫星的附加载荷,可实现一箭多星发射,进一步降低了发射成本。 目前,本作品结合相关合作单位的实际应用需求,已完成了两款基于低成本立方体纳卫星的定制产品,相关性能已获用户认可。本作品已加入欧盟第7框架QB50项目,集成FIPEX大气探测,将作为全球50颗立方体卫星之一,实现对大气粒子浓度探测;另外,本作品将用于中科院上海微小卫星工程中心的船舶自动识别系统中,目前已集成AIS船舶自动识别载荷,通过轨道优化设计,实现覆盖我国南海海域,同时兼顾全球的船舶准实时监测。
具体地说,本作品的主要研究内容、结论、成果如下:
(1)高功能密度立方体卫星平台研制 基于立方体卫星的结构热控一体化设计,综合考量卫星上各主要节点在发射以及整个轨道周期内的振动频率和温度,通过Patran/Nastran软件以及NX-Ideas有限元软件进行结构热控优化设计,经实验验证,卫星整体最低自然频率165HZ,采用被动热控加蓄电池主动温控,星内温度可保证5-35℃,可完全满足载荷搭载环境需求。 基于Cortex-M4 STM32F407ZET6的星务计算机设计,最大工作频率可达168MHz,包含2MB静态RAM、4MFlash存储以及2GB的TF卡大容量存储,同时可扩展5路UART接口、4路SPI接口和2路I²C等外部接口,充分满足各种载荷所需的存储和接口需求。 采用转换效率28%的GaInP2/GaAs/Ge三结砷化镓体装式/可展开太阳电池阵以及4节18650锂离子电池组作为电力来源,完成集成电源输入处理电路、电池充电及保护电路、电源分配电路、电源遥测量采集电路等五个部分的能源控制系统设计,可实现母线电压6.5-8.4V,功率大于4.8W,并提供电压稳定度±5%的3.3V、5V以及母线电压供星内各部件及载荷使用。 采用三轴磁强计和粗太阳敏感器实现双矢量卫星姿态确定,采用微型动量轮和铁镍合金磁力矩器实现三轴姿态控制。姿控系统可按照飞行任务的要求实现卫星在各个飞行阶段轨道和姿态确定,以及星体的三轴姿态控制。经仿真,最终姿态测量精度可达2°,大于300公里轨道姿态控制精度5°,在采用磁控的低成本立方体卫星中达到较为先进的水平。 作品通信系统采用UHF/VHF频段,上行145MHz,下行435MHz,调制方式采用AFSK(上行)、CW/BPSK(下行),实现谐振频率回波损耗小于-10dB,天线收发隔离度优于35dB,可完全满足立方体卫星与地面通信需求。
(2)基于高截获率SDR结构星载AIS接收机的船舶识别应用 本作品在中科院微小卫星研究中心的支持下,完成了基于AIS的船舶自动识别系统设计,该系统将通过三颗卫星组网的方式,实现对我国重点海域,尤其是远海海域船舶的准实时监控,保障我国舰船航行安全。本作品将搭载AIS载荷,作为任务02星,将于2015年9月发射。 AIS接收机采用的是低功耗软件定义无线电(Soft Defined Radio,SDR)结构,具有软件定义功能,工作频率为162MHZ±25KHz,质量不大于50g,接收机灵敏度达-120dBm,适用于低地球轨道卫星任务。本作品星务软件系统通过I²C总线实现对AIS接收机的配置及数据通信,可保证接收机较高的信号截获率。另外,本作品兼容CSP通信协议,接收机可基于该协议与卫星平台通信,便于系统集成,同时提高可靠性。 搭载AIS接收机的低成本立方体卫星作品满足SOTDMA与CSTDMA协议要求,兼容船载A类与B类AIS设备,同时支持ITU-RM.1371-1建议案规定的22种信息报文,可实现与AIS基站、船载AIS的通信网融合,实现数据共享。另外,本作品设计了未来10颗AIS卫星星座组网方案,可实现对南海区域的完全覆盖,重访间隔仅14.4分钟,对于实现南海船舶防碰撞、船舶搜救等方面意义深远。
(3)基于FIPEX的全球组网大气探测应用 本作品在欧盟第7框架QB50项目组的支持下,完成了对FIPEX大气探测载荷的搭载与支持。该项目采用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,数据将用于进行航天器再入烧蚀机理的研究,该项研究对可再入航天器设计意义重大。 本作品根据载荷接口需求,对电源系统及星务计算机系统软件进行针对性修改,包括供电异常处理更新机制优化,星务计算机通信协议支持,地面测试及试验软件编写等,成功完成基于该载荷的大气探测立方体纳卫星设计。 目前,该设计方案已获项目组认可,成为全球受资助的50颗大学生制作立方体卫星之一,将于2016年发射。
(4)多功能立方体卫星平台探索 本作品结合目前已开发应用,同时充分考虑平台后期的多载荷适配、多任务支持以及平台可拓展性,重点开发了基于开放式接口的星务计算机软件API优化,开发了基于多传感器融合的姿态控制算法,设计实现了包括精太阳敏感器、星敏感器在内的姿态敏感器件算法,后期可根据任务对姿控精度需求进行方案灵活配置。 本作品的设计目的是为了解决目前500km以下低地球轨道的空间试验和应用需求不断增加,但卫星设计制造成本高、搭载机会少的问题。本作品可搭载尺寸不超过10cm×10cm×4.6cm,重量不超过2kg,平均功率不超过2W的载荷,如相机、各类型传感器、微推进装置、空间搭载实验装置以及各种新型部组件等,实现低成本、短研发周期的空间探索任务应用,一方面极大降低卫星的研发制造和发射成本,降低航天产业的门槛;另一方面推动我国在纳卫星尤其是立方体纳卫星领域的发展,并促进相关规范标准的制定,充分发挥低成本立方体纳卫星的优势。 获奖情况: 第十四届“挑战杯”特等奖
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