CubeSat立方星介绍

1CubeSat立方星介绍1CubeSat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（）。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1-11U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1-32010~2013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1-3BQ50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1-6AAUSAT3卫星3U结构图1-7某型CubeSat卫星8图1-8NanoSail-D卫星图1-9CubeSat装配9图1-103×3CubeSat构型图1-11CubeSat卫星可由运载器在轨弹射发射10CubeSat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（monolithicsatellite-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1-15MCMSat设计12图1-16单片式卫星（monolithicsatellite-on-a-chip）构成示意图表格1-5未来微小卫星对比132CubeSat结构设计CubeSat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2-11U、2U、3U的CubeSat卫星构型14图2-2CubeSat卫星结构设计示意图（1）15图2-3CubeSat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图2-9CubeSat装配示意图图（1）图2-10CubeSat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2-12CubeSat的可展开衍射镜头21图2-13CubeSat的可展开衍射镜头图2-14CubeSat的可展开衍射镜头22图2-15CubeSat的可展开衍射镜头图2-16展收机构233CubeSat运载适配器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3-1CubeSat卫星的运载适配器（1）图3-2CubeSat卫星的运载适配器（2）24图3-31U规格CubeSat卫星运载适配器设计图3-43U规格CubeSat卫星运载适配器设计25图3-51U规格CubeSat卫星验收清单26图3-63U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324CubeSat电气设计规范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FM430（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）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CubeSat实质上的电路板标准（德国CubeSat团队制定的CubeSatBoardSpecification，简称CBS）。详见=standards:cbs.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1UCubeSat，轨道平均功耗仅略大于1W。33图4-1Pumpkin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4-2CubeSat卫星电气系统开发套件34图4-3Pumpkin公司FM430严酷环境用高可靠性单板计算机35图4-4Pumpkin公司FM430单板机系统构成图CBS（CubeSatBoardSpecification）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（CubeSatBoardSpecification）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4-5CBS（CubeSatBoardSpecification）电路板机械结构规范CBS（CubeSatBoardSpecification）电路板规范中，电路板的接插件参考PC-104总线，具体规定如下：37图4-6CBS（CubeSatBoardSpecification）电路板接插件信号定义（1）38图4-7CBS（CubeSatBoardSpecification）电路板接插件信号定义（2）39CBS（CubeSatBoardSpecification）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，其中CDHS（CommandandDataHandlingSystem，指令与数据处理系统）为总线中的主机，其余为从机，包括ADCS（AttitudeDeterminationandControlSystem，姿态测定与控制系统）、EPS（ElectricalPowerSystem，电源系统）、COM（CommunicationsSystem，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4-8CBS（CubeSatBoardSpecification）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，目前的思路是通过空间组网方式提高通信能力。图4-11CubeSat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4-13CubeSat电推进系统43图4-14CubeSat电推进系统图4-15CubeSat电推进系统44图4-16CubeSat电推进系统图4-17CubeSat电推进系统455CubeSat典型案例5.1QuakeSat卫星斯坦福大学研制的QuakeSat卫星是2003年第一批发射的立方星中的一颗，为3U的立方星，4.5kg，主要任务是检测记录并下传地震孕育和发生过程中可能产生的低频电磁波信号，并演示验证立方星相关技术和COTS器件可靠性。表格5-1QuakeSat卫星指标5.2CanX-1CanX-1（CanadianAdvancedNanospaceeXperiment）也是2003年第一批发射的立方星中的一颗，是多伦多大学宇航研究学院空间飞行实验室研制的加拿大最小的微纳卫星系统，主要用于技术演示，采用了CubeSat卫星方案，拥有CMOS相机、三轴磁稳定姿态控制系统、GPS定位装置，采用ARM7作为星载计算机（OBC，On-BoardComputer）的中央控制器等。46图5-1CanX-1卫星图5-2CanX-1卫星系统构成47图5-3CanX-1卫星外部结构图5-4CanX-1卫星内部结构48图5-5CanX-1卫星电路板布局图5-6CanX-1卫星电路板结构能源系统包括太阳能帆板（安装在6个外表面，每个1.63W，4.4~5V）和锂离子电池（3600mAh，3.7V），按照每圈97分钟含60分钟光照时间计算，有0.19Wh设计余量。49图5-7CanX-1卫星功耗预算星载计算机（OBC，On-BoardComputer）完成系统管理任务，包括整星控制、天地通信、故障