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1、精选优质文档-倾情为你奉上2U立方星设计报告概念设计组西北工业大学教育实验学院队员：梅嘉炜、王洋、王永威、王昭、魏恒来2012年12月9号目录立方星设计方案1 引言2012年7月25日23时43分，我国在西昌卫星发射中心用长征三号丙运载火箭成功发射“天链一号03星”，卫星顺利进入太空预定轨道。这次发射成功后，“天链一号”卫星将实现全球组网运行，标志着我国第一代中继卫星系统正式建成。专家称，中国“天链一号03星”与01星、02星成功实现全球组网运行，建成比较完备的中继卫星系统，将进一步提高中国载人航天飞行任务的测控覆盖率，为中国神舟飞船以及未来空间实验室、空间站建设提供数据中继和测控服务。同时，
2、还将为中国中、低轨道资源卫星提供数据中继服务，为航天器发射提供测控支持。目前, 资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据, 要在卫星经过地面站上空时才能被下传使用,然而如果突发重大自然灾害, 就会失掉最佳的应对处置时机。天链一号可使各类中、低轨道卫星实现数据实时下传并及时应用, 是各类中、低轨道应用卫星的效能倍增器。此外，如果航天器在轨运行时出现故障, 抢救时机往往以秒来计算, 一旦错过就可能造成无法挽回的重大损失。随着中国人造地球卫星数量的增多, 卫星出现故障的概率会有所增加。天链一号投入应用后, 将能够及早发现和尽快解决航天器故障。美国用“跟踪与数据中继卫星”取代了在全球设置的14个测控
3、站, 对所有中、低轨道航天器的轨道覆盖率由曾经的15% 提高到了85%, 处理信息的能力提高了6倍多。同时, 每年还节省维修和运行地球测控站费用达3亿美元。可见，中继卫星系统在航天领域里发挥着重要的作用，中继卫星系统的发展拥有着广阔的前景。然而，现在比较成熟的中继卫星系统均为同步轨道卫星，价格昂贵，发射难度大。立方星属于低轨道卫星，低轨道小卫星中继通信相比高轨卫星中继通信的突出优点是轨道高度低，使得通信传输延时短，路径损耗小，除此之外，由于小卫星具有区域覆盖效果好，组网灵活，成本相对于高轨卫星低很多等优点，因此可以利用小卫星可以实现远程通信支援作用，在短时间内信息保障系统尚未健全时或者实现中继
4、远程通信功能的高轨卫星受损时，将小卫星作为中继器有利于建立畅通的通信链路，有助于及时返回重要信息，是很有现实意义的方案，这不论在军事或者民用方面都有非常重要意义1。因此，我们考虑利用微小卫星成本低、在低轨道运行的特点，提出运用微小卫星来构建下一代中继卫星系统的想法。本次设计方案的提出，是想利用立方星来作为一次实验，以检测微小卫星构建中继卫星系统的可行性，并发现函待解决的问题，以实现最终构建下一代中继卫星系统的计划。2 姿态控制卫星的飞行轨道和姿态指向是决定卫星应用功能的两项首要因素，是卫星总体工程设计的重要内容，直接影响着卫星应用有效载荷的设计和卫星应用性能指标的制定。卫星被发射投入运行后，卫
5、星轨道和姿态控制是卫星运营，操作和管理的核心内容，直接影响卫星应用任务的实践和卫星的在轨寿命2。下图为卫星姿态控制系统原理图（图2.1）。 图2.1卫星姿态控制系统原理图由上图不难得出，姿态估计量是由太阳敏感器和磁强计捕捉到的数据并加以处理后得到的，而后又将其传给星载计算机，由星载计算机控制推进器向整星提供动力，反作用飞轮施力进行调姿。以下就各重要部分及技术难点加以说明。2.1 基于粒子滤波的定姿法卫星的姿态可以用四元数来描述，而四元数的获取则需要太阳敏感器和三轴磁强计来实现，而后通过这些数据可以得出姿态估计量。2.1.1 三轴磁强计的设计地球磁场的矢量信息是确定卫星位置的非常重要的信息，将它
6、结合地球磁场模型可以确定卫星在地球磁场中的位置信息，为整星的姿态确定提供重要依据之一，三轴磁强计因体积小，重量轻，可靠性强，功耗低，工作温度范围宽，没有活动部件，而且具有一定的精度水平，因而是理想的器件，设计的目的在于使得三轴磁强计在复杂的环境中稳定，可靠，使其寿命尽可能长。 皮卫星三轴磁强计利用四元件配置的惠斯顿电桥将磁场转化为差分输出电压，实现磁场信息和电压之间的转化之后再进行调理最终数字化并通过MCU处理，最终得到皮卫星在地球磁场中的位置信息，一般的三轴磁强计使用的是6.515V的工作电压，而如果三轴磁强计的电压均衡且尽可能小，那更能符合我们的设计要求，如下的三轴磁强计的系统设计可以使得
7、各个模块均工作在5V内（图2.2），这样的设计可以降低电源的压力，减少了电压的种类，有利于降低功耗。图2.2 三轴磁强计的系统设计2.1.2 三轴磁强计和太阳敏感器获姿本方案采用磁强计和太阳敏感器获得姿态信息，卫星轨道坐标系下的磁场矢量以及太阳方向都可以通过该轨道信息以及星历解算出来。设k时刻卫星轨道坐标系下的磁场强度和太阳参考矢量分别为B、S，其中磁场参考矢量的计算可以参考国际地磁参考场IGRF(International Geomagentic Reference Field)。此时磁力计和太阳敏感器测量值为卫星本体坐标系下的值，记为、，两个矢量互不平行。在轨道坐标系建立新的正交坐标系R，
8、各坐标轴的单位矢量为：同样，在卫星本体坐标系中建立正交坐标系Q中，各坐标系的单位矢量是：因此，下面的两个33阶矩阵 是R和Q坐标系分别在轨道坐标系和卫星本体坐标系的方向余弦阵，根据双矢量定姿， 即为测量信号B、S、和得到的真实姿态转移矩阵。本方案对姿态转移矩阵进行处理，即通过姿态矩阵计算实时的姿态四元数q。2.1.3 粒子滤波进行姿态估计值的计算为了完成飞行任务，通常需要确定卫星坐标系相对于某一参考坐标系或者某一特定目标的姿态。为了确定姿态，首先要有姿态测量，即用星上的姿态敏感器获取含有姿态信息的物理量，然后对其进行数据处理以获得姿态信息。目前常用来获取姿态参数的方法主要有：参考矢量法、惯性测
9、量法以及状态估计法。其中，状态估计法最为行之有效，包括卡尔曼滤波方法、扩展卡尔曼滤波(EKF)以及平淡卡尔曼滤波(UKF)等3。1)蒙特卡洛粒子滤波算法蒙特卡洛方法是一种基于概率统计中随机抽样来近似解决数学或工程问题的方法。实现过程一般是将需要求解的问题用某种随机变量的形式进行描述，从该变量的概率密度分布中采样并建立各种估计量，对估计量进行求解的结果也即是所需要求解的问题的解。利用该算法，我们可以得到如下所示的粒子算法流程（如图2.3）。图2.3 粒子算法流程其原理图如下：图2.4 粒子算法原理图2.2推进器的选择传统的推进器一般质量和体积都比较大，很明显，传统的推进器不能够用在立方星上。由于
10、立方星的独特特点，它所需的推进系统要求电压低，功耗低，体积和质量小，立方星本身所需推力和比冲均不大，最小推力脉冲在10-4-10-6N。S之间,我们考虑用微推进器实现，微推进器是基于MEMS的微推进系统，从目前的研究来看，主要分为电推进和化学推进，通过相关文献我们得知，对于电推进推进器按原理可以分为三种，我们总结发现电热式电推器进功耗相对较高，静电式电推器所需驱动电压较高，电磁式电推器进虽然目前技术比较成熟，但是并没有发挥MEMS的优势，体积和质量偏大，对于体积很小的立方星来说并不合适，相比电推进，化学推进能够比较适合用于立方星上，化学推进系统电功耗很低，能够产生精确的小推力，而且它本身没有可
11、动部件，工作可靠性高，对于寿命较短的问题，我们可以通过提高推进器单元阵列数量和携带多片推进器阵列来解决4。我们采用固体微化学推进器，并且采用现在广泛使用的硅材料和硅的微加工技术，采用该推进器很大的一个优点在于可以在同一个芯片上集成制作各种尺寸的贮箱，喉颈和装填不同的推进剂，并且在1cm2的芯片上可以集成达106个微推力器，较高的集成度使得芯片的成本大幅度降低，并且在采取一定的逻辑功能时可产生特定要求的脉冲。对于化学推进器装药的选择，必须考虑到微推进器和立方星自身的特点，首先，装药量少，并应采用电点火的方式，因而装药必须容易在电热的作用下直接被点燃，其次，药腔较小，一般为亚毫米级，要求药剂的点火
12、临界直径尽可能小，以避免小直径下药剂难点燃的情况出现，通过查阅资料5，我们认为采用斯蒂芬酸铅为主要药剂比较合适，斯蒂芬酸铅电热感度较好，属于弱起爆药，燃烧的临界直径也较小，瞬时推力较大，很适合用在药腔高度集成度，药室直径很小的地方，当斯蒂芬酸铅装药量为0.32.8mg时推力约为0.050.38mN,总冲量约为3.2*10-53.0*10-4mN.s,能够基本满足立方星的要求，一种固体微化学推进器如下图（图2.5）所示： 图2.5 固体微化学推进器由上图可以形象地说明芯片的面积和体积，对于我们立方星的设计非常有益，因为该推进器体积很小，我们可以增加推进器阵列的方式实现我们所需要的推力或者比冲等参
13、数，而且体积增加对立方星的影响并不大，比较好的满足了我们对于推进系统动力的要求。2.3 姿态控制创新点一般的三轴磁强计使用的是6.515V的工作电压，而我们设计的三轴磁强计的内部系统设计使得三轴磁强计的各模块均工作在5V以内，有效地降低了电压的种类，降低了功率，能很好的满足设计要求。 3 通信模块 立方星的通信模块是由一台低功率发射机、2台接收机、调制解调器、A/D转换器和收发两用天线组成，工作流程如图3.1所示。传统带状天线在中转信号时不具有方向性，因此会造成大量的能量浪费。对于体积较小的立方星而言，很难提供如此大的能量，为此，我们考虑了双轴定位收发两用抛物面天线，用发射抛物面定向发射电磁信
14、号同时可实现接收方向和发射方向的精确控制，如图3.2。3.1收发天线从图中可以看到，我们采用了两个抛物面形状的卫星接收和发射两用天线。其中左下方的天线通过定位调节指向地面工作站，用于接收地面的控制信号同时该天线可以向地面发射中继信号。另外一个抛物面天线和地面控制收发天线同轴通过立方星，用以接受高空卫星发射的信号。两同轴天线的最佳接收定位角度均是独立利用双轴定位来进行调节。图3.1通信模块流程图地面控制收发天线高空接收天线 图3.2收发天线示意图3.2.接收机考虑到通讯系统中传输距离的差异以及抗干扰能力，我们选择了两个接收机分别用以接收分别用于地面的控制信号及深空频段的跟踪和数据中继传输信号。对
15、于接收从地面传来的信号时，需要考虑从地面的边缘、极光、临近卫星等自然或人为的电磁干扰。因此选用Ka波段作为接收机1的工作频段。对于接收机2需接收高空远距离的信号，干扰信号主要来自太空深处的星星等背景，较前者而言干扰较小。但是此传输波段应具有远距离、低衰减的特点，我们考虑选用Ku波段和S波段工作。对于上述两种接收机分别需要集装自适应信号处理器用以降低干扰，分离目标。 3.3高速调制解调器 高速调制解调器采用16QAM调制器。16AM的调制实现可分为正交调幅法和4PSK重叠调制法。下面介绍这两种调制方法：1） 正交调幅法实现16QAM调制方案 图3.3 正交调幅实现16QAM调制器原理框图2） QPSK重叠调制法实现16QAM调制方案QPSK重叠调制法的核心思想是用两个已调QPSK信号合成一个16QAM信号。在合成16QAM已调信号都是等幅波，采用饱和功率放大器分别经过放大两路QPSK信号，然后在功率信号上叠加出16QAM信
