黃 河，劉瑩瑩，劉光輝，張佼龍，李 朋，張 帝，白 博，馮振欣，周 軍

(1. 西北工業(yè)大學(xué)精確制導(dǎo)與控制研究所，西安 710072；2. 西北工業(yè)大學(xué)寧波研究院，寧波 315103)

0 引 言

立方星采用大量標(biāo)準(zhǔn)化商業(yè)貨架產(chǎn)品,具有研制周期短、發(fā)射靈活、易于組網(wǎng)的優(yōu)勢[1],近十年來得到了快速發(fā)展,立方星在軌成功率從2015年的30%提升到了2019年的75%[2]。

立方星已經(jīng)成功應(yīng)用于空間科學(xué)探測、對地遙感、新技術(shù)驗(yàn)證、航天科普等領(lǐng)域[3]。國際上積極地在探索將立方星應(yīng)用于月球、小行星以及衛(wèi)星集群編隊(duì)等領(lǐng)域[4-7]。目前國際上發(fā)射的立方星大都是2U,3U立方星,受到體積和能源的約,這類立方星的功能十分有限,而6U立方星能夠利用至少3U空間作為衛(wèi)星平臺部分,具有模塊化快速組裝的優(yōu)勢,大大拓展了立方星的空間任務(wù)應(yīng)用能力。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)6U立方星模塊化組裝的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[8]從結(jié)構(gòu)構(gòu)型、結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)連接方式和結(jié)構(gòu)評價(jià)指標(biāo)四個(gè)方面論述了框架式立方星結(jié)構(gòu),指出了未來小衛(wèi)星結(jié)構(gòu)通用化、小型化、專用化、多功能一體化的多元發(fā)展趨勢。美國空軍研制的Grissom立方星是一種能夠適應(yīng)多種任務(wù)的通用微納衛(wèi)星平臺,文獻(xiàn)[9]對這一新型6U立方星平臺的結(jié)構(gòu)抗沖擊能力進(jìn)行了評估。文獻(xiàn)[10]介紹了立方星在地球大氣偏振模式探測、低熱層大氣探測以及L波段短報(bào)文試驗(yàn)方面的應(yīng)用,然而這類立方星平臺結(jié)構(gòu)往往只能適應(yīng)單一載荷。上述立方星的模塊化組裝一般是針對于PCB電路板的板卡級模塊化組裝。

可靠的測控和高效的數(shù)傳是保障立方星空間遙感任務(wù)的前提。文獻(xiàn)[11]提出了在3U立方星平臺上搭載近紅外光譜儀載荷,利用圖像開展溫室氣體監(jiān)測,文獻(xiàn)[12]提出了采用6U立方星平臺進(jìn)行森林火災(zāi)監(jiān)測。然而均沒有就6U立方星的批量遙感圖像的高速下傳問題進(jìn)行可行性分析。文獻(xiàn)[13]設(shè)計(jì)了一種面積將近1 m2的反射陣列天線,有望解決立方星深空探測過程中的通訊難題,然而這種可展開天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜,應(yīng)用于近地軌道立方星大容量數(shù)傳還需要同時(shí)解決高能耗問題。文獻(xiàn)[14]針對6U 立方星平臺應(yīng)用于土壤濕度監(jiān)測問題中的數(shù)據(jù)傳輸問題,在240～270 MHz頻段,設(shè)計(jì)了VHF通信天線,其數(shù)據(jù)傳輸量不足以支撐遙感圖像的批量下傳。CAT-2 6U立方星開展了GNSS-RO測量,搭載了兩套VHF/UHF天線和1套S頻段天線,每天最多可以傳送10 MB有效載荷數(shù)據(jù)[15]。因此,有必要在考慮立方星體積和功耗約條件下,將立方星的測控?cái)?shù)傳進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),提升立方星數(shù)據(jù)下傳能力,形成一種通用的測控?cái)?shù)傳標(biāo)準(zhǔn)化模塊,便于衛(wèi)星平臺的快速集成。

近地空間廢舊衛(wèi)星的離軌問題,近年來受到越來越多的關(guān)注。采用推力器進(jìn)行離軌是通用的離軌方式,取決于高效的微型推力器設(shè)計(jì)。NASA為月球“手電筒”6U立方星設(shè)計(jì)了一個(gè)2.5U綠色單組元推進(jìn)系統(tǒng),推進(jìn)分系統(tǒng)總質(zhì)量為6 kg[16]。文獻(xiàn)[17]分析并比較了一種適用于6U立方星的水工質(zhì)微型推進(jìn)系統(tǒng),然而占用體積較大,不適合用作6U 立方星的離軌推力器。將離軌帆設(shè)計(jì)為滿足立方星結(jié)構(gòu)約的標(biāo)準(zhǔn)化模塊,為立方星的快速離軌提供了新的解決思路。

高效的能源管理和可靠的姿態(tài)控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)是立方星模塊組裝的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[18]將立方星能源系統(tǒng)和姿態(tài)控制系統(tǒng)集成為1個(gè)1U立方體模塊,旨在能夠滿足多種載荷任務(wù)需求,然而該模塊本身能力弱,拓展性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[19] 針對立方星在能量來源嚴(yán)重受限條件下如何提高太陽能利用率的難題,提出一種適用于立方星的集中供電式空間微電源架構(gòu),并設(shè)計(jì)基于改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法的最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略來提升能量轉(zhuǎn)換效率。受到結(jié)構(gòu)尺寸的約,立方星攜帶的太陽能帆板面積有限。讓立方星長期處于對日定向模式,能夠顯著提高其能源轉(zhuǎn)換效率。對于2U,3U立方星,一般采用磁力矩器進(jìn)行姿態(tài)控制。文獻(xiàn)[20]針對立方星體積與功耗限制等情況,采用多目標(biāo)優(yōu)化的方法,研制帶芯磁力矩,實(shí)現(xiàn)了磁矩大、體積小、重量輕、功耗低。然而,僅使用磁力矩器無法實(shí)現(xiàn)對日定向穩(wěn)定控制。對于6U立方星平臺來說,采用微型三軸飛輪進(jìn)行姿態(tài)控制,能夠大大提高控制精度。文獻(xiàn)[21]針對27U立方星,提出了一種利用金字塔構(gòu)型反作用輪陣列和磁力矩器的姿態(tài)控制系統(tǒng),能夠用于解決大結(jié)構(gòu)立方星姿態(tài)控制輸出力矩不足的難題。目前,關(guān)于立方星的姿態(tài)控制問題,大都集中在控制算法本身,如純磁力矩器控制,而關(guān)于能源約條件下對日穩(wěn)定控制則研究較少[22]。因此,需要綜合考慮衛(wèi)星能源管理和姿態(tài)控制要求,形成通用化可配置的衛(wèi)星能源和姿態(tài)系統(tǒng)單元模塊。

綜上分析可知,受到立方星本身體積、功耗、數(shù)傳能力、測控可靠性、軌控能力等因素的影響,為提升6U立方星的多任務(wù)適應(yīng)能力,需要進(jìn)一步圍繞6U立方星的結(jié)構(gòu)布局、測控?cái)?shù)傳、電源分系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、離軌分系統(tǒng)等開展功能單元級的模塊化設(shè)計(jì),將立方星由板卡級模塊組裝提升為功能單元級模塊組裝。6U立方星模塊組裝涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)的快速組裝,能量流、信息流和數(shù)據(jù)流的適應(yīng)性匹配,從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星平臺和有效載荷的松耦合設(shè)計(jì),其基本思想如圖1所示。

圖1 6U立方星模塊組裝的基本思想Fig.1 Basic idea of modular assembly for a 6U CubeSat

本文綜合考慮立方星結(jié)構(gòu)模塊組裝的多任務(wù)適應(yīng)性、能源約條件下的姿態(tài)控制與測控?cái)?shù)傳以及快速離軌策略等問題,提出了一種標(biāo)準(zhǔn)化模塊組裝6U立方星的總體設(shè)計(jì)方法。并通過中國青少年科普衛(wèi)星工程八一03衛(wèi)星(BY- 03)在軌試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了模塊組裝6U立方星總體設(shè)計(jì)方法的有效性。

1 模塊組裝的6U立方星的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

立方星的部組件一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)械和電氣接口,通過PC104接插件連接在一起。為了提高立方星的多任務(wù)適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)立方星的快速組裝,需要從結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的角度,將立方星平臺部分和載荷部分進(jìn)行松耦合設(shè)計(jì)。對于6U立方星而言,可以將衛(wèi)星平臺部分設(shè)計(jì)為通用化平臺,而衛(wèi)星的載荷設(shè)計(jì)需要適應(yīng)衛(wèi)星平臺的機(jī)械和電氣結(jié)構(gòu)要求。

為此,本文提出了一種衛(wèi)星平臺和載荷松耦合設(shè)計(jì)的6U立方星結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局方案。將6U立方星的左側(cè)設(shè)計(jì)為衛(wèi)星平臺部分,右側(cè)設(shè)計(jì)為衛(wèi)星載荷部分,衛(wèi)星平臺和載荷之間通過接口的適配性設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)整星的快速組裝與集成測試。

衛(wèi)星結(jié)構(gòu)部分采用標(biāo)準(zhǔn)6U立方星平臺,外部結(jié)構(gòu)為框架+橫梁的形式,內(nèi)部結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)PC104板卡結(jié)構(gòu),可以兼容標(biāo)準(zhǔn)板卡,實(shí)現(xiàn)模塊化組裝。載荷部分通過總裝直屬件替代原橫梁部分,完成載荷與框架的適配性連接。

機(jī)構(gòu)部分為太陽能帆板展開機(jī)構(gòu),衛(wèi)星入軌前機(jī)構(gòu)部分在星箭分離機(jī)構(gòu)內(nèi)處于折疊收攏狀態(tài),待衛(wèi)星入軌收到解鎖指令后太陽能帆板展開,為整星提供電能。

如圖2所示,左側(cè)為衛(wèi)星平臺,安裝標(biāo)準(zhǔn)PC104板卡部組件,自上而下依次為:UHF天線、磁力矩器2套、GPS接收機(jī)、電池組1(8塊電池)、電池組2(4塊電池)、電源控制器(共3層板)、展開機(jī)構(gòu)控制器、飛輪組(共4個(gè)小飛輪)、平臺拓展板、計(jì)算機(jī)板、姿態(tài)測量板、U/V接收機(jī)、VHF天線、離軌帆。其中離軌帆通過3個(gè)M3螺釘安裝于衛(wèi)星結(jié)構(gòu)平臺外部。

圖2 6U立方星的布局圖Fig.2 Layout of a 6U CubeSat

右側(cè)為載荷部分,以BY- 03星為例,由上至下分別為:紫外相機(jī)(對天)、載荷編程板、X波段接收機(jī),計(jì)算光譜相機(jī)和X波段天線并排放置。其中,紫外相機(jī)、載荷編程板和X波段接收機(jī)安裝于平臺內(nèi)部,計(jì)算光譜相機(jī)和X波段天線安裝于平臺外部。

結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的主要參數(shù)如下:

1)標(biāo)準(zhǔn)6U結(jié)構(gòu)包絡(luò):226.3 mm×100 mm×340.5 mm;

2)標(biāo)準(zhǔn)6U框架質(zhì)量:<900 g;

衛(wèi)星帆板在軌展開如圖3所示。

圖3 6U立方星的太陽帆板在軌展開狀態(tài)圖Fig.3 Solar panels of a 6U CubeSat unfolding in orbit

2 測控?cái)?shù)傳一體的模塊化設(shè)計(jì)

本節(jié)主要考慮在有限的地面站資源和星上資源約條件下,立方星測控?cái)?shù)傳一體的模塊化設(shè)計(jì)方法,提高6U立方星測控可靠性以及數(shù)傳速率。

2.1 星地資源約條件下的測控?cái)?shù)傳可見性分析

受到能量和體積的約,傳統(tǒng)立方星通常采用UHF/VHF業(yè)余無線電頻段進(jìn)行星地測控和數(shù)據(jù)通訊。其優(yōu)點(diǎn)是UHF/VHF是全向天線,而且能耗較低。這種方式僅僅適用于簡單的衛(wèi)星任務(wù),首先是受電磁環(huán)境干擾影響大,其次是數(shù)據(jù)傳輸速率低,不能滿足大容量圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。如果單?dú)采用S/X波段測控,則要求在衛(wèi)星的對天面和對地面都安裝測控天線,同時(shí)增加微波網(wǎng)絡(luò)。因而,增加了測控分系統(tǒng)的復(fù)雜性,同時(shí)對能量的消耗也顯著增加。

此外,受到地面站可用資源的影響,目前很多立方星只采用少量的地面站實(shí)施測控和數(shù)傳任務(wù)。因此,對于衛(wèi)星星地一體化測控與數(shù)傳的任務(wù)設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌考慮衛(wèi)星星上資源和地面站資源的約。

圖4為只配置了一套對地面的測控?cái)?shù)傳天線時(shí),衛(wèi)星處于對日定向模式下的天線波角覆蓋示意圖。從圖4中可以看出,當(dāng)衛(wèi)星尚未建立穩(wěn)定姿態(tài)時(shí),只在一個(gè)方向配置測控天線,則存在較大的測控盲區(qū)。此外,當(dāng)衛(wèi)星處于對日定向模式下,即使衛(wèi)星過頂,也不能夠保證衛(wèi)星天線與地面站建立穩(wěn)定的鏈接關(guān)系。

圖4 微帶天線波覆蓋范圍Fig.4 Beam coverage of a microstrip antenna

因此,考慮到立方星本身能量有限的約條件,本文提出了一種基于UHF/VHF+X頻段測控?cái)?shù)傳一體化的衛(wèi)星測控與數(shù)傳方法。6U立方星配置了一套UHF/VHF天線,用于常態(tài)化測控,一直向地面廣播衛(wèi)星遙測信息,并且接收地面指令。此外,還配置了一套X波段測控?cái)?shù)傳一體機(jī),能夠在測控模式和數(shù)傳模式進(jìn)行工作狀態(tài)的切換,實(shí)現(xiàn)批量指令的上注。

2.2 UHF/VHF測控系統(tǒng)

星上UHF/VHF測控系統(tǒng)一方面實(shí)時(shí)向地面廣播星上遙測數(shù)據(jù),另一方面通過VHF天線接收地面發(fā)送的遙控指令。

VHF天線接收到的地面指令的有效性受到衛(wèi)星姿態(tài)和電磁頻譜干擾影響比較大。因此,為了提高系統(tǒng)的可靠性,在地面只通過VHF頻段給衛(wèi)星發(fā)送簡單的指令,如各單機(jī)設(shè)備的開關(guān)機(jī)指令。而衛(wèi)星的程控指令塊,則通過X波段遙控通道上注。

UHF/VHF測控分系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示,包括測控應(yīng)答機(jī),UHF天線和VHF天線。通常2U,3U立方星會將UHF和VHF放置在一起,兩個(gè)天線展開后呈現(xiàn)180°分布。如圖2所示,將UHF天線和VHF天線分別布置在左側(cè)衛(wèi)星平臺的上下部分,一方面解決了天線與太陽帆板位置干涉的問題;另一方面,使得衛(wèi)星平臺的單機(jī)盡量布置在左側(cè),滿足立方星模塊化組裝的要求。

圖5 UHF/VHF測控分系統(tǒng)Fig.5 UHF/VHF TT&C subsystem

2.3 X頻段測控?cái)?shù)傳一體的模塊化設(shè)計(jì)

采用X頻段進(jìn)行測控可以有效克服環(huán)境電磁頻譜干擾,大大降低UV頻段對地面接收站的選址要求,提高測控系統(tǒng)的可靠性?？紤]到立方星體積、功耗的限制,為在盡量小的物理空間內(nèi)提高測控的可靠性,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?本文提出使用X頻段測控?cái)?shù)傳一體機(jī)的方案。測控?cái)?shù)傳一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)測控功能和數(shù)傳功能的自由切換。

測控?cái)?shù)傳一體機(jī)的主要特點(diǎn)如下:

(1) 兼具測控功能和數(shù)傳功能,共用一套通信機(jī)和發(fā)送天線,通過通信機(jī)工作模式選擇可以實(shí)現(xiàn)在測控模式和數(shù)傳模式間切換;

(2)測控模式的主要作用是在衛(wèi)星處于姿態(tài)穩(wěn)定階段,接收地面站發(fā)送的上行指令塊,另外,作為建立穩(wěn)態(tài)姿態(tài)情況下的備份測控通道;

(3) 數(shù)傳模式的主要作用是通過LVDS總線接收光學(xué)載荷數(shù)據(jù)并存儲于內(nèi)部固存中,當(dāng)衛(wèi)星過境時(shí)下傳圖像數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)速率可以達(dá)到10 Mbps,遠(yuǎn)高于采用UV頻段下傳數(shù)據(jù)的速率;

(4)測控功能和數(shù)傳功能要分時(shí)使用。

6U立方星,通過X波段測控?cái)?shù)傳一體化設(shè)計(jì),提高了在穩(wěn)定姿態(tài)期間的測控可靠性,相比于單純使用UHF/VHF頻段進(jìn)行測控,有利于指令數(shù)據(jù)塊上注,以及批量圖像數(shù)據(jù)的下傳。

X波段測控?cái)?shù)傳一體機(jī)的系統(tǒng)框圖如圖6所示。

圖6 X波段測控?cái)?shù)傳一體機(jī)系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of the integrated system of X-band TT&C and data transmission

3 6U立方星電源分系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

受到可展開太陽帆板面積的約,能量不足是立方星的常見問題,少數(shù)立方星采用了多折太陽帆板的方案,一定程度上緩解了能量不足。本文分析了立方星能源平衡需求對整星工作模式的影響,設(shè)計(jì)了適應(yīng)于多種任務(wù)的電源分系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方案。

3.1 6U立方星能源平衡需求分析

受到星上能源的約,立方星的各種模式必須進(jìn)行優(yōu)化,以維持整星能源平衡。首先,衛(wèi)星入軌以后,長期處于對日定向工作模式,短期處于載荷工作模式進(jìn)行科學(xué)任務(wù)探測以及進(jìn)行數(shù)傳測控;其次,當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過地面站時(shí),對載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行下傳。

為了便于6U立方星在標(biāo)準(zhǔn)化的6U立方星分離機(jī)構(gòu)中安裝,在6U立方星的兩側(cè)安裝太陽能帆板,在軌展開,衛(wèi)星在光照期姿態(tài)對日定向,按照太陽輻射強(qiáng)度1353 W/m2,太陽電池陣轉(zhuǎn)換效率不小于30%。兩片展開太陽翼總面積約為0.15 m2,壽命末期輸出功率不小于35 W。

根據(jù)不同工作模式下的單機(jī)工作功耗情況,可以分別統(tǒng)計(jì)出速率阻尼模式、對日定向模式、對地定向模式、載荷工作模式、測控?cái)?shù)傳模式和安全模式下的衛(wèi)星總功耗。在衛(wèi)星軌道確定的條件下,衛(wèi)星的載荷工作模式和測控?cái)?shù)傳模式?jīng)Q定了衛(wèi)星對能源的需求。為實(shí)現(xiàn)立方星的快速模塊化組裝,在太陽電池陣面積確定的條件下,需要對蓄電池組的容量和大小進(jìn)行適配性選擇。

3.2 電源分系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

為了滿足6U立方星快速化模塊組裝的要求,立方星的電源分系統(tǒng)需要按照功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì),以適應(yīng)不同載荷工作任務(wù)的需求。

電源分系統(tǒng)由太陽電池陣、鋰離子蓄電池組和電源控制器組成。6U立方星能源傳輸如圖7所示。

圖7 能源傳輸框圖Fig.7 Energy transmission diagram

電源分系統(tǒng)的各組件需要滿足立方星設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),其中,電源控制器:包絡(luò)空間小于0.6U,質(zhì)量不大于0.6 kg;蓄電池組:包絡(luò)空間小于0.8U,質(zhì)量不大于0.9 kg;太陽電池陣列:有兩塊展開太陽翼,質(zhì)量不大于1.3 kg。

(1) 太陽電池陣

受到整星結(jié)構(gòu)尺寸的影響,太陽電池陣的面積大小是確定的,可以作為6U立方星的標(biāo)準(zhǔn)配置,方便立方星的快速組裝。太陽電池陣由結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)部分和電池電路部分組成,電池電路部分設(shè)計(jì)采用高效三結(jié)砷化鎵太陽電池作為發(fā)電單元,在光照期通過母線對星上有效載荷及服務(wù)系統(tǒng)供電,并對蓄電池組進(jìn)行充電。結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)為太陽電池提供安裝環(huán)境,主要包括基板、壓緊釋放機(jī)構(gòu)和展開機(jī)構(gòu)。

太陽電池陣串聯(lián)數(shù)目:

(1)

太陽電池陣并聯(lián)數(shù)目:

(2)

式中:Vbus為光照期母線電壓上限值;Vline為太陽陣供電線纜壓降;Vmin為太陽電池最大功率點(diǎn)的最小輸出電壓;Psa為太陽電池陣輸出功率;Pm為標(biāo)準(zhǔn)條件下太陽電池最大功率;a=0.05為功率設(shè)計(jì)裕度。

衛(wèi)星采用兩塊太陽翼,每一個(gè)太陽翼采用12串4并電池電路,整星共需要布12串8并電池電路,使用單體電池96片。

(2) 蓄電池組

蓄電池組采用高比能量、低成本且具有多次、長期在軌飛行經(jīng)驗(yàn)的18650單體電池。單體電池參數(shù)為:工作電壓3～4.2 V;額定容量3.2 A·h;單體重量48.5 g;具備過充、過放、過流和短路保護(hù)。

蓄電池串聯(lián)數(shù)目為:

(3)

式中:V0為單體電池電壓。

蓄電池組的容量為:

(4)

式中:W為蓄電池組輸出的能量;VEOL為蓄電池組壽命末期單體電池的平均放電電壓;d為蓄電池組放電深度。

蓄電池并聯(lián)數(shù)目:

(5)

式中:CR為電池容量;Ss為單串電池?cái)?shù)目。

蓄電池組采用4串3并結(jié)構(gòu),同時(shí),三組蓄電池分別配置一路溫度傳感器,為保證蓄電池組工作溫度,利用加熱膜對電池組施加溫控管理,加熱總功率約為2.5 W。

(3) 電源控制器

電源控制器負(fù)責(zé)功率調(diào)節(jié)和電池組的充、放電管理以及整星配電管理,保證星上設(shè)備正常工作。電源控制器采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略來提升能量轉(zhuǎn)換效率[19],具有技術(shù)成熟、集成度高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)。電源控制器也采用模塊化設(shè)計(jì)思想,由光伏轉(zhuǎn)換單元、二次電源轉(zhuǎn)換單元、配電單元、下位機(jī)及信號測量單元等組成,其原理如圖8所示。

圖8 電源控制器原理框圖Fig.8 Principle diagram of the power controller

4 姿控分系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)

姿態(tài)控制分系統(tǒng)需要保證衛(wèi)星常態(tài)化對日定向,根據(jù)任務(wù)要求調(diào)整姿態(tài)進(jìn)行拍照和數(shù)傳。

衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)組成如圖9所示。衛(wèi)星平臺使用的敏感器包括模擬式太陽敏感器3套、磁強(qiáng)計(jì) 2套、陀螺2套、GNSS系統(tǒng)1套。

圖9 姿態(tài)控制系統(tǒng)組成Fig.9 Components of the attitude control system

衛(wèi)星平臺使用的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括磁力矩器、飛輪。其中,三軸磁力矩器2套,用于消旋、粗對日定向與飛輪卸載;單軸飛輪4套,用于對日定向三軸穩(wěn)定控制和對地定向三軸穩(wěn)定控制。

衛(wèi)星姿控分系統(tǒng)的部組件均采用模塊化設(shè)計(jì)的思想,其中MEMS陀螺和磁強(qiáng)計(jì)集成在一塊PCB上;4套飛輪采用三正交一斜裝的方式,三軸磁力矩器集成于一體,均能滿足立方星部組件標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)尺寸要求。

因此,通過PC104接插件,能夠?qū)⑼勇荽艔?qiáng)計(jì)組件、飛輪組件、磁力矩器組件和GNSS組件等整合在一起,形成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的立方星姿態(tài)測量與姿態(tài)控制模塊,方便與立方星平臺其他系統(tǒng)的快速組裝。

將6U立方星作為剛體,可得到其姿態(tài)動力學(xué)方程為:

(6)

考慮默認(rèn)3-1-2旋轉(zhuǎn)順序,得到小角度假設(shè)情況下衛(wèi)星的姿態(tài)運(yùn)動方程為:

ωe+Mdωoi

(7)

即可得到歐拉角描述下的誤差動力學(xué)方程如下:

(8)

式中:Tm為磁力矩器產(chǎn)生的控制力矩。

初始消旋階段采用了常規(guī)的B-Dot控制器。

B-Dot控制器利用磁力矩器在每個(gè)軸上輸出一個(gè)控制力矩,這個(gè)控制力矩的符號與該軸上磁場強(qiáng)度的變化率相反,用來降低衛(wèi)星的轉(zhuǎn)動能量。

磁力矩器控制力矩如下:

(9)

在三軸穩(wěn)定模式下,姿態(tài)控制律采用PD控制,即

(10)

式中:kp和kd分別為比例、微分系數(shù)。

5 離軌帆的模塊化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星工作壽命到期后,盡快脫離軌道墜入大氣層是保障太空安全、和平利用太空資源的國際共識。因此,近地軌道微小衛(wèi)星在獲取發(fā)射許可前都需要提供可靠的離軌方案。對于立方星這類微小衛(wèi)星,采用推力器離軌的方式,代價(jià)較大;而采用離軌帆的方式,通過衛(wèi)星壽命末期展開離軌帆,能夠增大衛(wèi)星的面質(zhì)比,加速軌道衰減。

本文將離軌帆設(shè)計(jì)為一個(gè)約0.5U的尺寸包絡(luò),作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的模塊,安裝在衛(wèi)星的頂部。離軌帆裝置采用了一種軸承卷尺形式,主要由帆板、驅(qū)動組件、儲艙組件、釋放組件、熱刀及帆膜等組件構(gòu)成。由于安裝離軌帆裝置的一側(cè)受到相機(jī)物理空間干擾無法展開,因此,在設(shè)計(jì)離軌帆時(shí),只考慮展開其中的三個(gè)面,總共展開面積為0.75 m2,如圖10所示。

圖10 離軌帆展開示意圖Fig.10 Deployed deorbit sail

考慮衛(wèi)星軌道按照97.277°傾角,軌道高度按照475 km,大氣模型分別取Harris-Priester,CIRA 1972和NRLMSISE 2000,經(jīng)計(jì)算,在無變軌維軌情況下,對應(yīng)三種不同大氣模型,衛(wèi)星軌道壽命約為4.2年、3.2年和3.4年。衛(wèi)星運(yùn)行一年之后,選取離軌帆受阻面積為0.75 m2的情況下,衛(wèi)星經(jīng)過136天之后可離軌。離軌時(shí)間相比于不配置離軌帆時(shí),縮短了至少80%。

6 在軌驗(yàn)證情況

本文提出的模塊組裝6U立方星總體設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于中國青少年科普衛(wèi)星工程BY- 03衛(wèi)星,于2020年11月6日搭載長征六號運(yùn)載火箭在太原成功發(fā)射,運(yùn)行于軌道高度為475 km的太陽同步軌道。

6.1 平臺與載荷的模塊化組裝

將6U立方星的左側(cè)設(shè)計(jì)為衛(wèi)星平臺部分,右側(cè)用于安裝衛(wèi)星的有效載荷。這一設(shè)計(jì)使得衛(wèi)星平臺部分可以作為一種公共的通用化平臺,能夠適配多種標(biāo)準(zhǔn)化載荷,滿足衛(wèi)星模塊組裝的要求。

BY- 03星搭載了一臺紫外天文相機(jī)、一臺計(jì)算光譜相機(jī)和一臺可編程教育載荷,開展地球和宇宙天體遙感觀測,以及天地協(xié)同編程教育實(shí)驗(yàn)。

(1)紫外天文相機(jī)

紫外天文相機(jī)波段范圍270～300 nm,為了避免光照區(qū)的陽光干擾,紫外相機(jī)選擇在地影區(qū)成像。相機(jī)采用CMOS面陣成像,成像幀頻為1 fps,成像區(qū)域?yàn)樘靺^(qū)目標(biāo),需要衛(wèi)星根據(jù)軌道等因素,設(shè)置目標(biāo)區(qū)域的姿態(tài)角度。相機(jī)8bit量化,像元數(shù)2048×2048,圖像無壓縮,圖像數(shù)據(jù)量小于35 Mbps。包絡(luò)尺寸為85.54 mm(L)×83 mm(B)×184.35 mm(H)。相機(jī)質(zhì)量為2 kg,功耗小于8 W。

(2)計(jì)算光譜相機(jī)

計(jì)算光譜相機(jī)用于對地觀測,波段范圍450～650 nm,相機(jī)在光照區(qū)成像,通過地面系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)反演,得到不少于15個(gè)光譜信息。相機(jī)采用CMOS面陣成像,成像幀頻為1 fps。計(jì)算光譜相機(jī)8 bit量化,圖像無壓縮,圖像數(shù)據(jù)量小于12.5 Mbps。包絡(luò)尺寸為96 mm(L)×80 mm(B)×61.5 mm(H)。相機(jī)質(zhì)量為300 g,功耗小于2 W。

圖11 紫外天文相機(jī)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 Structure of the ultraviolet camera

(3)可編程計(jì)算載荷

可編程計(jì)算載荷實(shí)現(xiàn)夢想聲音的征集發(fā)送,衛(wèi)星平臺遙測數(shù)據(jù)請求,以及其他數(shù)據(jù)上下行通信?？删幊梯d荷主要由中央控制器和通信接口組成,主要面向青少年開展以航天專業(yè)技術(shù)為主題的python編程教育任務(wù)。

上述三個(gè)載荷都滿足立方星的通用尺寸標(biāo)準(zhǔn)和電氣接口標(biāo)準(zhǔn),作為可配置的部組件,布置在立方星的右側(cè),從而實(shí)現(xiàn)立方星的模塊化快速組裝。

6.2 BY- 03衛(wèi)星總體技術(shù)參數(shù)

運(yùn)行軌道:軌道高度為475 km太陽同步軌道。

發(fā)射質(zhì)量:≤11.5 kg(其中衛(wèi)星平臺9.5 kg,分離機(jī)構(gòu)2 kg)。

測控頻段:UV頻段+X波段測控。

UV頻段:下行碼速率1200～9600 bps,上行碼速率1200 bps。

X頻段采用UXB體制:下行碼速率4096 bps,上行碼速率4000 bps。衛(wèi)星采用X測控和數(shù)傳一體化設(shè)計(jì),共用射頻通道,調(diào)制方式為QPSK,信道編碼為RS+卷積,數(shù)傳碼速率10 Mbps。

BY- 03衛(wèi)星的實(shí)物如圖12所示。

圖12 八一03標(biāo)準(zhǔn)化6U立方星Fig.12 Standardized BY- 03 6U CubeSat

6.3 電源系統(tǒng)在軌狀態(tài)

BY- 03衛(wèi)星于2020年11月6日11時(shí)41分成功分離、整星上電,太陽翼12時(shí)11分順利展開,衛(wèi)星天地鏈路12時(shí)54分成功首次建立測控鏈路后,電源系統(tǒng)部分遙測數(shù)據(jù)如圖13(a)～(d)所示。

圖13 太陽電池陣遙測參數(shù)Fig.13 Telemetry data of the electrical power system

對遙測數(shù)據(jù)分析可知:

(1) 四路太陽電池陣工作電壓為22.4 V、22.3 V、22.1 V、22.4 V,與理論值22.56 V基本一致;每一路太陽電池陣輸出電流均在0～100 mA之間變化,此時(shí)處于消旋階段,太陽電池陣沒有處于對日狀態(tài),因此輸出電流尚未達(dá)到設(shè)計(jì)最大值(0.4 A)。通過電壓電流數(shù)據(jù)可以判斷,太陽電池陣工作正常。

(2) 系統(tǒng)母線電壓(即蓄電池電壓)為16.3 V,說明電源系統(tǒng)的蓄電池在發(fā)射場交付后到發(fā)射之間的長期存放容量幾乎沒有衰減,入軌工作正常。

(3) 整星消耗總電流約為穩(wěn)態(tài)280 mA,瞬態(tài)450 mA(UV下傳數(shù)據(jù)時(shí)),由于消旋階段太陽陣轉(zhuǎn)換功率不足,蓄電池處于放電狀態(tài)補(bǔ)充系統(tǒng)所需功率,放電電流為80～400 mA之間。

(4) 二次電壓模塊工作3.3 V、5 V、12 V均正常,開關(guān)狀態(tài)正確。

(5) 電源控制器溫度分別為:MCU板28 ℃、二次電源模塊板24 ℃;電池組21 ℃、24 ℃、26 ℃。溫度均在正常范圍內(nèi)。

6.4 BY- 03衛(wèi)星在軌工作模式與姿態(tài)控制情況

衛(wèi)星自星箭分離之后,一次進(jìn)入消旋、粗定姿、對日定向、對地定向等工作姿態(tài)。下面給出對日定向模式下的姿態(tài)控制情況結(jié)果。

如圖14所示,分別為對日定向模式下,衛(wèi)星三軸角速度測量值以及太陽方向角在遙測時(shí)間段內(nèi)的輸出。時(shí)間為11月7日2時(shí)57分4秒(UTC)- 3時(shí)1分12秒(UTC),橫坐標(biāo)為星上時(shí)間秒值去掉整數(shù)天后的秒值。

圖14 對日定向模式下的衛(wèi)星姿態(tài)數(shù)據(jù)Fig.14 Satellite attitude data in a sun pointing mode

衛(wèi)星工作在光照區(qū),完成軌道確定和姿態(tài)確定。衛(wèi)星姿態(tài)誤差在2°以下,角速度0.2(°)/s以下。此時(shí)磁力矩器進(jìn)行飛輪卸載,對姿態(tài)有一定影響。

6.5 測控?cái)?shù)傳與載荷在軌測試情況

BY- 03星采用UHF/VHF頻段+X頻段測控模式,其中X頻段通信機(jī)為測控?cái)?shù)傳一體化設(shè)計(jì),根據(jù)工作任務(wù)需求,在測控模式和數(shù)傳模式之間切換。

為比較地面電磁環(huán)境對UV測控的影響,利用西安UV地面站和中衛(wèi)UV地面站對BY- 03的業(yè)余無線電頻段進(jìn)行了比較。測試結(jié)果表明,當(dāng)中衛(wèi)站和西安站同時(shí)處于UV測控弧段時(shí),中衛(wèi)站接收到的遙測信號幀數(shù)要明顯多于西安站。在相同的測控弧段內(nèi),中衛(wèi)站接收到的有效遙測幀數(shù)大于70%,而西安站接收的遙測幀數(shù)一般不超過30%。一方面,受到周圍高層建筑遮擋,另一方面西安無線電電磁頻譜干擾影響大。

通過UV頻段上行指令,西安站和中衛(wèi)站均能夠多次正確上行指令,并且實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星單機(jī)的開關(guān)機(jī)操作。在程序指令塊上行方面,X頻段上行則有較好的成功率,能夠順利完成一周內(nèi)的載荷工作計(jì)劃指令上注。

BY- 03 6U立方星搭載了紫外天文相機(jī)、計(jì)算光譜相機(jī)和可編程計(jì)算載荷三個(gè)主要載荷,通過在軌測試,均正常工作。拍攝的序列圖像,在衛(wèi)星通過西安數(shù)傳站時(shí),由X波段數(shù)傳天線下傳,數(shù)傳速率達(dá)到了10 Mbps。驗(yàn)證了采用X波段測控?cái)?shù)傳一體方式,能夠在功耗和數(shù)傳能力約下,實(shí)現(xiàn)較大批量數(shù)據(jù)的快速下傳,相比于傳統(tǒng)使用UHF/VHF模式下傳數(shù)據(jù)的立方星,數(shù)據(jù)傳輸能力得到了較大提升。

7 結(jié) 論

本文提出了一種模塊組裝6U立方星總體設(shè)計(jì)方法。通過將衛(wèi)星平臺和應(yīng)用載荷分區(qū)布局,能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星平臺和載荷的松耦合設(shè)計(jì),適應(yīng)不同載荷任務(wù)需求。提出了6U立方星測控?cái)?shù)傳分系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、姿控分系統(tǒng)、離軌帆的模塊化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了6U立方星平臺的快速集成以及與標(biāo)準(zhǔn)化載荷的快速化模塊組裝。在體積和功耗約條件下,提高了測控系統(tǒng)的可靠性,X頻段數(shù)傳速度可達(dá)10 Mbps,標(biāo)準(zhǔn)化離軌帆能夠?qū)?U立方星從475 km軌道高度上的離軌時(shí)間縮短約80%。通過中國青少年科普衛(wèi)星BY- 03星在軌測試,驗(yàn)證了模塊組裝6U立方星總體設(shè)計(jì)的可行性,其能夠作為一種標(biāo)準(zhǔn)化低成本快速研制微納衛(wèi)星平臺,適應(yīng)小型光學(xué)遙感載荷工程應(yīng)用的需求。