CubeSat立方星介绍.pdf
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1、1 CubeSat 立方星介绍立方星介绍 1 CubeSat概述概述 CubeSat 即立方星 是一个结构形状呈立方体的微小卫星 这种卫星虽然重 量轻体积小 但是能够搭载一定的空间实验载荷开展科学实验 并且价格低廉 目前已经成为一种国际化的微小卫星标准 CubeSat 标准最初是由加州理工大学和斯坦福大学的一个团队于 1998 年发 起的 而第一次 CubeSat 发射是在 2003 年 标准化大大方便了卫星的测试与发 射 确保了技术延续性和成熟度 并极大并降低了成本 这对于大学这样的研究 机构开展相关空间方面的研究是十分有利的 同时也能调动广大学生的创新意识 因此获得了高校和研究机构的广泛关
2、注 之后 CubeSat 如同雨后春笋般出现 至 今已有几十颗成功发射 CubeSat 标准定义了卫星的标准尺寸 必要的机械结构以及通用的用于卫星 释放的运载适配器装置 即星箭接口 每个装置中可以容纳 3 颗 CubeSat 卫星 等 http www cubesat org images developers cds rev12 pdf 立方星以 U 进行划分 所谓 1U 即指一个标准单元 体积 10 10 10cm3 的立方体 重量约 1kg 1kg 重量中按如下方式分配 结构 500g 平台系统 200g 电池 100g 任务载荷 200g 立方星是模块化的架构 可以 U 为单位在一个轴
3、或多个轴上扩展 形成 2U 3U 甚至更大的立方星 目前发射最多的是 3U 构型的立方星 常见的规格 如下 2 表格 1 1 1U 和 3U 立方星常见规格及技术水平 表格 1 2 微小卫星规格划分 根据微小卫星的分类 立方星属于纳星范畴 我国首次参加的 CubeSat 项目是欧洲的 QB50 CubeSat 工程 QB50 工程由 比利时冯卡门流体动力学研究所 VKI 联合欧空局 ESA 陕西省微小卫星 工程实验室 SELM 荷兰代尔夫特理工大学等世界多个研究机构共同提出 采用 50 颗 CubeSat 组网 实现对目前人类尚未深入涉足的低层大气进行多点在 轨测量 同时在星座中开展卫星再入大
4、气层过程的一些相关研究 全世界有 77 所大学与研究机构参与了相关项目 我国有包括 西工大 北 大 浙大 国防科大 哈工大 北航 南航 上交大等 8 所高校参与了该项目 陕西省微小卫星工程实验室 SELM 成为亚洲区唯一发起单位与亚洲区总协调 单位 3 表格 1 3 2010 2013 年间全球发射的立方星典型实例 4 图 1 1 立方星典型实例 5 图 1 2 中国参加的 BQ50 工程示意图 图 1 3 BQ50 工程中立方星卫星构成 QB50 工程的卫星基本组成包括两大部分 即 1 科学单元 由 QB50 项目委员会提供相应载荷 2 功能单元 包括立方星基本功能单元和各大学自行设计任务单
5、元 装载 完成自身任务的载荷 6 图 1 4 斯坦福大学某型 CubeSat 卫星 图 1 5 某型 CubeSat 卫星在轨示意图 7 图 1 6 AAUSAT3 卫星 3U 结构 图 1 7 某型 CubeSat 卫星 8 图 1 8 NanoSail D 卫星 图 1 9 CubeSat 装配 9 图 1 10 3 3 CubeSat 构型 图 1 11 CubeSat 卫星可由运载器在轨弹射发射 10 CubeSat 相关的货架产品非常丰富 许多功能模块可通过商业渠道直接采购 目前可供选购的立方星标准化模块参考如下 表格 1 4 可供选购的立方星标准化模块 CubeSat 是一个非常成
6、功的小卫星平台 小卫星未来的趋势是向更小型化的 单板式 PCBSat 多芯片组件式卫星 MCMSat 及单片式卫星 monolithic satellite on a chip 方向发展 图 1 12 萨瑞大学 PCBSat 单板式卫星 A 款 11 图 1 13 萨瑞大学 PCBSat 单板式卫星 B C 款 图 1 14 萨瑞大学 FM 型 PCBSat 单板式卫星 图 1 15 MCMSat 设计 12 图 1 16 单片式卫星 monolithic satellite on a chip 构成示意图 表格 1 5 未来微小卫星对比 13 2 CubeSat结构设计结构设计 CubeSa
7、t 卫星以 U 为基本结构单位 可在在一个轴或多个轴上扩展 形成 1U 2U 3U 等构型 内部安装以插板式为主 结构紧凑 模块化标准化程度高 扩展性强 图 2 1 1U 2U 3U 的 CubeSat 卫星构型 14 图 2 2 CubeSat 卫星结构设计示意图 1 15 图 2 3 CubeSat 卫星结构设计示意图 2 图 2 4 某型 CubeSat 内部结构示意图 16 图 2 5 英国 UKube 1 卫星机械布局 17 图 2 6 瑞士 Swisscube 卫星分解图 18 图 2 7 瑞士 Swisscube 卫星力学模型分析 图 2 8 某型 CubeSat 分解图 19
8、图 2 9 CubeSat 装配示意图图 1 图 2 10 CubeSat 装配示意图图 2 20 图 2 11 采用 3D 打印技术实现 CubeSat 制造 对于大型部件 可采用可展开技术突破 CubeSat 体积限制 图 2 12 CubeSat 的可展开衍射镜头 21 图 2 13 CubeSat 的可展开衍射镜头 图 2 14 CubeSat 的可展开衍射镜头 22 图 2 15 CubeSat 的可展开衍射镜头 图 2 16 展收机构 23 3 CubeSat运载运载适配器适配器 CubeSat 运载适配器主要用于卫星在运载火箭上安装及在轨释放 图 3 1 CubeSat 卫星的运
9、载适配器 1 图 3 2 CubeSat 卫星的运载适配器 2 24 图 3 3 1U 规格 CubeSat 卫星运载适配器设计 图 3 4 3U 规格 CubeSat 卫星运载适配器设计 25 图 3 5 1U 规格 CubeSat 卫星验收清单 26 图 3 6 3U 规格 CubeSat 卫星运载适配器验收清单 从技术发展趋势看 CubeSat 这类微小卫星更适合低成本快速反应的空基发 射模式 27 图 3 7 美国 DARPA 空基发射项目 图 3 8 美国 DARPA 空基发射项目 图 3 9 美国 DARPA 空基发射项目 28 图 3 10 美国 DARPA 空基发射项目 29
10、图 3 11 美国 DARPA 空基发射项目 图 3 12 美国 DARPA 空基发射项目 30 图 3 13 美国 DARPA 空基发射项目 图 3 14 美国 DARPA 空基发射项目 31 图 3 15 美国 DARPA 空基发射项目 32 4 CubeSat电气电气设计设计规范规范 CubeSat 虽小 但它的的组成和大卫星其实没有很大区别 通常分为以下几 大分系统 1 电源 2 测控通信 3 星务管理 4 姿态 轨道控制 5 结构 6 热控 7 有效载荷 早期的 CubeSat 的电路板没有标准 各个 CubeSat 项目的电路板布置五花八 门 随着 Pumpkin 公司的产品 FM
11、430 使用 TI 公司 MSP430 这是一种 16 位的 RISC 单片机 用于星务管理分系统 详见 eet DS CSK FM430 710 00252 C pdf 的成功发布和推广 以及兼容 FM430 的 其他分系统板架上产品的涌现 基于 FM430 的机械和电气接口已经成为 CubeSa t 实质上的电路板标准 德国 CubeSat 团队制定的 CubeSat Board Specification 简称CBS 详见http www cubesat de lib exe fetch php media standards cbs pdf http www cubesat org i
12、mages developers cds rev12 pdf 这一标准最显著的特征是 采用了类似 PC104 工控机的长针排插 总线系统采用了 CAN I2C UART 等总 线形式 一颗 1U CubeSat 轨道平均功耗仅略大于 1W 33 图 4 1 Pumpkin 公司 FM430 单板机尺寸示意图 现在 CubeSat 相关的货架产品非常丰富 可以直接通过网络购买 并组装成 一颗完整的卫星 图 4 2 CubeSat 卫星电气系统开发套件 34 图 4 3 Pumpkin 公司 FM430 严酷环境用高可靠性单板计算机 35 图 4 4 Pumpkin 公司 FM430 单板机系统构
13、成图 CBS CubeSat Board Specification 包括如下主要方面 主要包括机械机构 电气 软件等接口定义 CBS CubeSat Board Specification 电路板规范中 对于电路板的结构要求 尺寸 大小 安装定位 接插件类型及位置等均严格遵照规范执行 具体规格要 求如下 36 图 4 5 CBS CubeSat Board Specification 电路板机械结构规范 CBS CubeSat Board Specification 电路板规范中 电路板的接插件参考 P C 104 总线 具体规定如下 37 图 4 6 CBS CubeSat Board S
14、pecification 电路板接插件信号定义 1 38 图 4 7 CBS CubeSat Board Specification 电路板接插件信号定义 2 39 CBS CubeSat Board Specification 电路板规范中 要求软件接口尽可能简 单 规定以 I2C 总线为系统主总线 详细的技术规范和使用手册参见 CDHS Command and Data Handling System 指令与数据处理系统 为总线中的主机 其余为从机 包 括 ADCS Attitude Determination and Control System 姿态测定与控制系统 EPS Electr
15、ical Power System 电源系统 COM Communications System 通 信系统 等 主机可以对从机的总线寄存器的值进行读写操作 实现控制和监测 目的 图 4 8 CBS CubeSat Board Specification 电路板 I2C 总线系统构成图 典型 CubeSat 卫星电子系统软硬件架构如下 40 图 4 9 典型 CubeSat 卫星电子系统硬件架构示意 图 4 10 典型 CubeSat 卫星电子系统软件架构示意 CubeSat 通信通常采用成熟的商用通信模块及简易天线 发射功率低接收灵 41 敏度也不高 通信能力相比大型卫星非常有限 目前的思路
16、是通过空间组网方式 提高通信能力 图 4 11 CubeSat 空间组网 CubeSat 卫星实现低成本小型化的核心技术是微电子技术和 MEMS 技术 2003 年 2011 年每年发射的立方星中均有卫星目前仍在轨运行 虽然存在各种在 轨问题 但立方星上搭载的商用 COTS 器件和部件已经在寿命和可靠性上展现出 潜力 图 4 12 立方星采用的典型 MEMS 部件 42 表格 4 1 立方星 MEMS 技术在轨飞行验证情况及成熟度 受限于体积 CubeSat 通常采用电推进 图 4 13 CubeSat 电推进系统 43 图 4 14 CubeSat 电推进系统 图 4 15 CubeSat
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