林 莉，左 鵬

（1.廈門廣播電視集團技術(shù)中心播送部，廈門 361000；2.裝備發(fā)展部軍事代表局駐七一四廠軍事代表室，南京 210007）

1 基本概念

立方體衛(wèi)星的概念在1999年由加州州立理工學(xué)院（Cal Poly）和斯坦福大學(xué)聯(lián)合提出，目的是提供一種標(biāo)準(zhǔn)的納衛(wèi)星設(shè)計，從而降低成本、縮短研制時間，更便于發(fā)射入軌，并保持較高的發(fā)射頻率。立方體衛(wèi)星每個標(biāo)準(zhǔn)尺寸單元稱為1U，其內(nèi)核尺寸為10cm×10cm×10cm，質(zhì)量不超過1.33kg，衛(wèi)星可以按照一定的規(guī)則進行規(guī)格遞增，常見的立方體衛(wèi)星規(guī)格包括1U、1.5U、2U、3U等，各規(guī)格衛(wèi)星的大小如圖1所示，其具體尺寸如下[1-4]：結(jié)構(gòu)外形切面方向尺寸（100±0.1）mm；1U立方體衛(wèi)星縱向尺寸小于（113.5±0.1）mm；3U立方體衛(wèi)星縱向尺寸小于（340.5±0.3）mm；衛(wèi)星質(zhì)心與形心偏差在20mm 以內(nèi)。1999年，美國加州理工學(xué)院和斯坦福大學(xué)就制訂了立方體衛(wèi)星及其分離機構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，用于規(guī)范立方體衛(wèi)星的設(shè)計。

圖1 常見1U、1.5U、2U、3U規(guī)格立方體衛(wèi)星的大小對比

2 發(fā)展歷程

立方體衛(wèi)星大約可分為下列三個發(fā)展階段：

（1）概念深化和方案設(shè)計與研究階段。新的立方體衛(wèi)星概念首先得到了許多大學(xué)和研究機構(gòu)認(rèn)可，進行開發(fā)和研究。至2003年的3年多時間里，據(jù)初步估計，全球約有60～70所大學(xué)和研究機構(gòu)，包括美國波音公司空間研究中心、美國國家航空航天局（NASA）艾姆斯研究中心等，都加入到立方體衛(wèi)星開發(fā)研究行列中。特別是美國的大學(xué)，立方體衛(wèi)星成為影響最大的小衛(wèi)星研究項目。此后，國際上對立方體衛(wèi)星的研究逐漸形成一股熱潮。

（2）空間演示試驗與應(yīng)用階段。世界第一批立方體衛(wèi)星于2003年6月30日成功發(fā)射，總共6顆，它們包括；日本2顆（CUTE-1，XIIV），丹麥2顆（AAU-Cubesat，DTUSat），加拿大1顆（CANX-1），這5顆衛(wèi)星質(zhì)量均為1kg；美國1顆地震預(yù)測立方體衛(wèi)星（QuakeSat-1），重量為4.5kg。

立方體衛(wèi)星易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，易于技術(shù)更新，研制周期短，經(jīng)濟成本低，特別是應(yīng)用在分布式空間系統(tǒng)更能發(fā)揮其作用，并能推廣到軍事應(yīng)用。從2003年至今的十多年中，全世界發(fā)射了200多顆立方體衛(wèi)星，失敗的不足其10%，而且有不少是運載火箭及其分離機構(gòu)故障造成的。

（3）推廣應(yīng)用階段。根據(jù)上述空間演示試驗和一些典型應(yīng)用實例可知，今后立方體衛(wèi)星應(yīng)用的主要方向是，利用更多立方體衛(wèi)星組成納衛(wèi)星（例如6U、9U、12U、24U等），使其有效載荷獲得更多空間、質(zhì)量與功耗，同時開發(fā)微型組件與部件，使用MEMS技術(shù)，提高元器件功能密集度。

3 立方體衛(wèi)星平臺的組成

立方體衛(wèi)星平臺包含結(jié)構(gòu)熱控系統(tǒng)、星務(wù)系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等[4]。

3.1 結(jié)構(gòu)熱控系統(tǒng)

材料的選擇是保證立方體衛(wèi)星質(zhì)量和剛度的關(guān)鍵。鋁合金是目前立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)首選材料，碳纖維增強復(fù)合材料在立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)設(shè)計中日益受到重視。同時，2011年利用激光3D打印技術(shù)制作立方體衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的技術(shù)在PrinSat立方體衛(wèi)星上得到驗證后，3D打印技術(shù)應(yīng)用于立方體衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)、電路板制作受到廣泛關(guān)注。

衛(wèi)星熱控技術(shù)分為主動熱控和被動熱控兩種。由于被動熱控具有技術(shù)簡單、工作可靠及不消耗能量等優(yōu)點，適應(yīng)立方體衛(wèi)星小型化的需求，是當(dāng)前立方體衛(wèi)星溫控的主要手段。常用的被動熱控的方法有熱控涂層、多層隔熱材料、相變材料和導(dǎo)熱填料等。但對于電池和相機等對溫度要求較高的組件，仍然需用主動熱控，常用的主動熱控的方法有電加熱器、空間輻射器和機械接觸式熱開關(guān)等。將主動熱控手段小型化應(yīng)用于立方體衛(wèi)星是未來的發(fā)展方向。

3.2 星務(wù)系統(tǒng)

星務(wù)系統(tǒng)是立方體衛(wèi)星的管理系統(tǒng)，當(dāng)前立方體衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)的處理器大多選用低功耗商用器件，并具備至少30MIPS的處理能力。目前，在軌立方體衛(wèi)星使用的處理器以ARM、FPGA為主，也有單片機和DSP等。立方體衛(wèi)星星務(wù)計算機主要通過冗余設(shè)計手段提高系統(tǒng)可靠性，較少使用抗輻射組件。

星務(wù)系統(tǒng)的存儲從可靠性高、體積小及功耗低的角度出發(fā)，以SRAM和小容量Flash為主。星務(wù)系統(tǒng)與其他分系統(tǒng)總線連接主要采用功耗低、標(biāo)準(zhǔn)化高的I2C總線，目前在軌立方體衛(wèi)星系統(tǒng)中都使用了I2C總線。

商用現(xiàn)貨器件的快速發(fā)展使得立方體衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)通過高集成度、高可靠性設(shè)計向更低功耗、更小的體積方向發(fā)展。

3.3 姿態(tài)控制系統(tǒng)

立方體衛(wèi)星姿控系統(tǒng)的主要任務(wù)是確定和控制衛(wèi)星的姿態(tài)。為了在有限空間及功耗下，完成衛(wèi)星的三軸穩(wěn)定控制，當(dāng)前立方體衛(wèi)星姿控系統(tǒng)多采用微型三軸磁強計、微型動量輪和磁力矩器等微型部組件，以及基于微機電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的陀螺儀、加速度計等完成系統(tǒng)的構(gòu)建，采用一體化設(shè)計降低系統(tǒng)空間占用和系統(tǒng)復(fù)雜度。在控制算法方面，立方體衛(wèi)星多采用成熟的三軸磁測磁控方案，且大多數(shù)采用偏置動量控制，目前普遍三軸穩(wěn)定立方體衛(wèi)星姿態(tài)控制精度在2°～5°左右。

隨著MEMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高精度姿態(tài)敏感器件以及姿態(tài)控制器件成功實現(xiàn)了微型化，并集成于立方體衛(wèi)星，如微型太陽敏感器、星敏感器和地球敏感器等，這些器件的加入將使得立方體衛(wèi)星姿態(tài)確定水平能夠達到1°以內(nèi)。

3.4 電源系統(tǒng)

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要包括能源獲取、能源控制和能源存儲。

能源獲取大都使用三結(jié)砷化鎵太陽能電池片，具有27%～30%的能源轉(zhuǎn)換效率，相比硅太陽電池15%的轉(zhuǎn)換效率約提升一倍，電池陣安裝可采用體裝式和展開式帆板設(shè)計。

能量控制分為直接能量傳輸（DET）和最大功率點跟蹤（MPPT）兩種轉(zhuǎn)換拓?fù)?。DET轉(zhuǎn)換拓?fù)錇闈M足壽命末期電池陣輸出大于母線最大電壓的要求，會導(dǎo)致壽命初期電池陣能量利用率較低；MPPT模式能夠很好地跟蹤太陽電池陣最大輸出功率，能量利用率高，但是需要通過軟件算法配合硬件電路實現(xiàn)，增加了可靠性風(fēng)險。同時，由于轉(zhuǎn)換器效率不能達到100%，壽命末期獲得的能量可能較DET模式少。目前立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以MPPT結(jié)構(gòu)居多。

在電源存儲方面，由于鋰電池具有較高的充放電效率、比能量高及循環(huán)壽命長等優(yōu)點，立方體衛(wèi)星基本都采用鋰離子電池或鋰聚合物電池。

3.5 通信系統(tǒng)

立方體衛(wèi)星星載通信系統(tǒng)多采用傳統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)收發(fā)信機，系統(tǒng)大多工作于VHF/UHF業(yè)余無線電頻段，國外典型立方體衛(wèi)星VHF/UHF頻段通信模式如表1所示。個別衛(wèi)星如德克薩斯大學(xué)的DTU-2 工作于S業(yè)余頻段，大都采用AX.25通信協(xié)議。對于調(diào)制模式在VHF/UHF頻段大多采用AFSK與BPSK 調(diào)制模式，在S波段多采用跳頻方式，通信速率基本處于0～100kb/s范圍內(nèi)?？紤]到立方體衛(wèi)星電量的限制，衛(wèi)星發(fā)射功率一般均小于2W。

表1 典型立方體衛(wèi)星VHF/UHF頻段通信模式

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，星載通信模塊逐漸向著數(shù)字化發(fā)展。從2013年以來，開始出現(xiàn)基于SDR（Sof tware-def ined radio）結(jié)構(gòu)的星載通信系統(tǒng)在軌驗證，如英國業(yè)余衛(wèi)星組織Amsat-UK的FUNcube-1與FUNcube-2，哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)射的Liasat-2等。SDR結(jié)構(gòu)的星載通信系統(tǒng)具備軟件配置靈活及功能多等優(yōu)點，得到越來越多研究機構(gòu)的青睞。但目前基于SDR結(jié)構(gòu)的星載通信系統(tǒng)仍處于實驗驗證階段，其抗單粒子效應(yīng)的能力需要加強。

4 立方體衛(wèi)星的分類和特點

根據(jù)任務(wù)特點的不同，可把立方體衛(wèi)星分為以下三類[2]：

（1）以空間科學(xué)研究為核心目標(biāo)。主要包括各大學(xué)設(shè)計、建造的立方體衛(wèi)星，如德國維爾茨堡大學(xué)的“維爾茨堡大學(xué)實驗”（UWE）衛(wèi)星系列、荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Delf i-c3、東京工業(yè)大學(xué)的Cute系列。不過，其中一些衛(wèi)星也進行簡單的新技術(shù)演示，包括搭載商用現(xiàn)貨（COTS）器件、微小型敏感器等。

（2）以載荷任務(wù)為核心目標(biāo)。例如，搭載地震電磁探測載荷的“震動衛(wèi)星”（QuakeSat）、搭載生物實驗載荷的基因衛(wèi)星-1（GeneSat-1）、搭載10m2太陽帆載荷的納帆-D（NanoSail-D）。

（3）以新技術(shù)演示驗證為核心目標(biāo)。例如，進行編隊飛行技術(shù)演示驗證的“加拿大先進納太空實驗”（CANX）衛(wèi)星系列、進行交會對接技術(shù)演示驗證的AggieSat-2和BEVO-1。

根據(jù)姿態(tài)控制方式的不同，可把立方體衛(wèi)星分為以下兩類：

（1）被動磁姿態(tài)穩(wěn)定控制立方體衛(wèi)星。衛(wèi)星采用永久磁棒使某一軸指向保持在地球磁場向量的方位上，采用磁滯棒控制轉(zhuǎn)速，采用磁強計、太陽敏感器或太陽電池陣電流測量姿態(tài)，如QuakeSat和GeneSat-1。

（2）三軸穩(wěn)定控制立方體衛(wèi)星。例如，CANX-2 采用偏置動量控制系統(tǒng)，安裝通電線圈實現(xiàn)最簡單的磁力矩器，并配置了一個反作用飛輪。UWE-3和CANX-4、5采用零動量控制系統(tǒng)，采用三軸反作用飛輪進行姿態(tài)控制，通過通電線圈實現(xiàn)磁力矩器的功能，零動量控制系統(tǒng)通常配置更多敏感器，包括太陽敏感器、磁強計、陀螺和星敏感器等。

當(dāng)前各類立方體衛(wèi)星具有下列的特點與優(yōu)勢：

（1）成本低、研制周期短、應(yīng)用廣泛，具有豐富創(chuàng)新內(nèi)容、體積小、質(zhì)量輕；一般采用搭載方式發(fā)射，發(fā)射方便、機會多、費用小。

（2）非常適合教學(xué)和培養(yǎng)研究生。一個立方體衛(wèi)星從研究、設(shè)計、研制，直至試驗，需要的時間在1～2年內(nèi)，正好是培養(yǎng)一期研究生的時間，而且研究內(nèi)容具有較多創(chuàng)新性，既有理論又有實踐，這也是立方體衛(wèi)星技術(shù)一開始就在大學(xué)受到青睞的原因。

（3）便于進行大量實驗和空間飛行演示驗證。立方體衛(wèi)星能提供費用低、研制時間短的物質(zhì)條件。相比以往空間飛行演示和實驗，費用有數(shù)量級的降低，研制周期成倍的縮短。

（4）適應(yīng)現(xiàn)代空間應(yīng)用發(fā)展趨勢。目前的空間應(yīng)用在對地觀測方面要求高的空間分辨率與時間分辨率，在空間通信方面要求全球或區(qū)域無縫覆蓋，多顆衛(wèi)星編隊飛行，可以獲得全新觀測成果；同時又要求這些空間產(chǎn)品價廉物美。立方體衛(wèi)星目前最能滿足上述要求。

（5）標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的立方體衛(wèi)星空間產(chǎn)品可靠性高、研制周期短、成本低，而且功能易于擴展，可以快速滿足任務(wù)需要；即時需要即時發(fā)射。

目前世界上已有多家研究機構(gòu)與企業(yè)專門研制、生產(chǎn)和供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化立方體衛(wèi)星，各個標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的立方體衛(wèi)星之間的連接，在結(jié)構(gòu)上都有事先設(shè)計好的標(biāo)準(zhǔn)接口，并有鎖緊和解鎖功能，其組裝和拆開都很方便。

5 立方體衛(wèi)星的典型應(yīng)用

（1）對地觀測——Flock-1星座[5]。Flock-1 3U 立方體衛(wèi)星由行星實驗室公司制造，采用商業(yè)級元器件研制完成，包括對地觀測的相機，圖像分辨率為3～5m，主要由NanoRacks公司負(fù)責(zé)從國際空間站分離釋放。行星實驗室計劃發(fā)射100顆左右的立方體衛(wèi)星組成星座對全球進行對地觀測。目前已發(fā)射90余顆，其中大部分衛(wèi)星位于軌道高度400km傾角52°的圓軌道上，還有少量衛(wèi)星位于極地軌道上。該星座將使行星實驗室可以每24h對全球進行一次成像。建設(shè)該星座的任務(wù)在于為人類幫助地球上的生命提供信息。

（2）新技術(shù)驗證——CPOD項目[6]。NASA資助的CPOD項目將利用兩顆3U立方體衛(wèi)星演示驗證交會、逼近操作與對接技術(shù)。兩顆衛(wèi)星被同時發(fā)射入軌后利用星上導(dǎo)航系統(tǒng)，其中一顆立方體衛(wèi)星可以圍繞另一顆立方體衛(wèi)星實施一系列繞飛機動，以驗證表征傳感器系統(tǒng)；兩顆衛(wèi)星將利用星上處理器以及制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制飛行軟件自動執(zhí)行逼近操作試驗，并利用特殊裝置進行對接。整個任務(wù)流程主要驗證兩顆小衛(wèi)星保持相對確定位置的能力，以及利用成像傳感器和多發(fā)動機冷氣推進系統(tǒng)進行精確繞飛和對接的能力。該項目所驗證的技術(shù)成熟后將使得微小型航天器具備探測小行星、月球以及為大型航天器提供在軌服務(wù)的能力。

（3）科學(xué)探測——QB50項目[7]。QB50項目由馮·卡門流體動力學(xué)研究所聯(lián)合歐洲航天局及高等院校等多個研究機構(gòu)共同提出，該項目采用50顆2U 立方體衛(wèi)星組成空間網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對低層大氣的多點在軌測量，同時在星座中開展衛(wèi)星再入大氣層過程的相關(guān)研究。星座中各顆衛(wèi)星的距離相差幾百千米，每顆衛(wèi)星均攜帶由項目主辦方提供的大氣探測傳感器。中國共有6所高校參與QB50計劃，積極推動了國內(nèi)立方體衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展。

（4）生物試驗——SporeSat[8]。SporeSat為尺寸10cm×10cm×34cm、質(zhì)量5.5kg的3U立方體衛(wèi)星，于2014年4月18日由“龍”飛船運往國際空間站。該衛(wèi)星軌道為近圓軌道，高度400km，傾角51.6°；其姿態(tài)控制由永磁體和具有磁滯的特性棒來實現(xiàn)控制；通信系統(tǒng)采用S頻段和業(yè)余無線電愛好者的頻段，S頻段采用商業(yè)的MHX-2420通信收發(fā)機。SporeSat衛(wèi)星借助3個“片上試驗室”設(shè)備完成試驗。該設(shè)備通過實時測量在不同人造重力條件下的鈣離子聚集度水平等信號，來研究重力場對蕨類植物孢子的影響。

6 結(jié)束語

筆者認(rèn)為，隨著我國立方體衛(wèi)星技術(shù)的成熟，其研究、開發(fā)和應(yīng)用必將會獲得長足的發(fā)展，成為我國航天強國建設(shè)道路上的一個亮點。