立方星设计报告

西北工业大学教育实验学院梅嘉登、王洋、王永威、王昭、魏恒来2U立方体星设计报告概念设计小组。西北工业大学教育实验学院队员：梅嘉登、王洋、王永威、王昭、魏恒来2012年12月9日目录立方体设计方案31引言3第二姿势控制42.1基于粒子过滤器的姿势决定法52.1.1三轴磁力计的设计52.1.2三轴磁强计和太阳传感器的姿势62.1.3通过粒子滤波计算姿势估计值72.2推进器的选定92.3姿势控制革新点11第三通信模块113.1发送接收天线113.2 .接收机133.3高速调制解调器143.4 A/D转换模块153.5通信模块创新点164星载计算机及其相关线路设计174.1双CAN冗馀设计184.2上电检测和电流检测部194.3硬件看门狗检测器204.4星载计算机的创新点205立方星电源设计模块215.1发电模块215.1.1材料选择215.1.2太阳能电池板设计的主要几个问题215.2蓄电模块225.2.1组电池串联并联节数的选定235.2.2锂离子二次电池的温度调节设计235.3电源控制系统235.3.1硬件设计235.3.2软件设计265.3.3电池组的革新点286参考文献297附录30立方体星设计方案1引言2012年7月25日23点43分，中国在西昌卫星发射中心用长征3号火箭发射了“天链1号03星”，卫星顺利进入宇宙预定轨道。 此次发射成功后，“天链1号”卫星标志着全球网络运行，我国第一代中继卫星系统正式建立。专家介绍，中国“天链一号03星”和01星、02星实现全球网络运行，建立比较完善的中继卫星系统，进一步提高中国载人航天任务的管理权，为中国神舟飞船和未来的空间实验室、空间站建设提供数据中继和管理服务。 同时，为中国中低轨道资源卫星提供数据中继服务，为航天器的发射提供测量支持。目前，资源卫星、环境卫星等应用卫星获得的科学数据在卫星通过地面站上空时被下载使用，但如果发生重大自然灾害，将失去最佳应对的时机。 天链1号可以向各种中低轨道卫星实时传输数据，并及时应用，是各种中低轨道应用卫星的性能倍增。另外，如果宇宙飞机在轨道运行中发生故障，急救的时机多以秒计算，有可能导致不可挽回的重大损失。 随着中国人造地球卫星数量的增加，卫星故障的概率增加。 天链1号的应用，可以尽快发现航天器故障，尽快解决。美国将“跟踪和数据中继卫星”取代世界上设置的14个观测所，使所有中低轨道航天器的轨道复盖率从过去的15%提高到85%，处理信息的能力提高了6倍以上。 同时，每年还节省了3亿美元的地球观测所的修理和运行费用。中继卫星系统在宇宙领域发挥着重要作用，中继卫星系统的发展具有广阔的前景。 但是，目前比较成熟的中继卫星系统都是同步轨道卫星，价格高，发射困难。 立方星属于低轨道卫星，除了低轨道小卫星中继通信比高轨道卫星中继通信具有轨道高度低、通信传输延迟短、路径损耗小的优点之外，小卫星还具有区域垄断效果高、网络灵活、对高轨道卫星成本低等优点， 如果可以利用小卫星实现远程通信支援作用，在短时间内信息保障系统不健全，或者实现中继远程通信功能的轨道卫星受损的情况下，以小卫星作为中继器建立顺畅的通信链路，是有助于及时返回重要信息的现实情景，在军事和民间都有非常重要的意义因此，我们提出利用微卫星成本低、在低轨道上运行的特征，利用微卫星建立下一代中继卫星系统的想法。 本次设计方案利用立方星作为实验，检测微卫星构建中继卫星系统的可能性，发现需要解决的问题，最终实现构建下一代中继卫星系统的计划。双姿态控制卫星的飞行轨道和姿态定向是决定卫星应用功能的两个主要因素，是卫星整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。 卫星发射运行后，卫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轨道寿命2。下图是卫星姿态控制系统的电路图(图2.1 )。图2.1卫星姿态控制系统的概念图从以上图可以看出，姿态估计量在处理了太阳传感器和磁强计捕捉的数据后，传递给星载计算机，由星载计算机控制推进器给整个星提供动力，通过作用飞轮的力来调整姿态。 以下，对各重要部分和技术难点进行说明。2.1基于粒子滤波器的姿势决定法卫星的姿势可以用四元数描述，但是获取四元数需要太阳传感器和三轴磁力计，可以从这些数据中得到姿势估计量。2.1.1三轴磁力计的设计地球磁场矢量信息是确定卫星位置的非常重要的信息，将其与地球磁场模型结合来确定卫星在地球磁场中的位置信息，为确定星整体姿态提供了重要的依据之一，三轴磁强计体积小，轻量，可靠性高，功耗低，工作温度范围宽，没有可动部件， 并且具有一定的精度水平，是一种理想的器件，设计目的是使三轴磁力计在复杂环境中稳定、可靠、尽可能延长寿命。皮卫星三轴磁强计利用四元件配置的惠斯顿桥将磁场转换为差动输出电压，在实现了磁场信息和电压之间的转换后，进行烹调最终数字化，通过MCU处理，最终获得皮卫星在地球磁场中的位置信息，一般的三轴磁强计使用6.515V的工作电压如果三轴磁强计的电压均衡并尽量小，则可以满足设计要求的以下三轴磁强计的系统设计现在可以在5V以内工作(图2.2 )。 这个设计有助于降低电源压力，减少电压种类，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传感器的姿势建议使用磁强计和太阳传感器获得姿态信息，在卫星轨道坐标系中的磁场矢量和太阳方向可通过该轨道信息和历书计算。 设k时刻卫星轨道坐标系中的磁场强度和太阳参照矢量分别为b、s，磁场参照矢量的计算可以参照国际地磁参照场igrf (internationalgeomagenticreferencefield )。 此时，磁强计和太阳传感器的测定值为卫星主体坐标系的值，标记为、两个矢量不相互平行。 在轨迹坐标系中创建新的笛卡尔坐标系r。 各坐标轴的单位向量如下所示同样，在用卫星主体坐标系作成正交坐标系q中，各坐标系的单位矢量如下因此，接下来的两个33次矩阵r坐标系和q坐标系分别是轨道坐标系和卫星主体坐标系方向上的馀弦矩阵，是根据双矢量决定姿势，即测量信号b、s所得到的真的姿势转变矩阵。 本提案处理姿态迁移矩阵，从姿态矩阵计算实时姿态四元数q。2.1.3通过粒子滤波器计算姿势估计值为了完成飞行任务，通常需要确定卫星坐标系相对于参考坐标系或特定目标的姿势。 为了确定姿势，首先，星上的姿势传感器需要取得包含姿势信息的物理量，并对其进行数据处理以获得姿势信息。 获取当前常用姿势参数的方法有基准向量法、惯性测量法、状态估计法。 其中，状态估计法最有效的是卡尔曼滤波法、扩展卡尔曼滤波器(EKF )、平坦卡尔曼滤波器(UKF )等3。1 )蒙特卡洛粒子滤波算法蒙特卡洛法是基于概率统计中随机采样近似解决数学和工程问题的方法。 实现过程一般以某个概率变量的形式描述要解的问题，从该变量的概率密度分布中采样建立各种估计量，解估计量的结果，也就是要解的问题的解。使用该算法可以得到以下所示的粒子算法的流程(图2.3 ) .图2.3粒子算法流程其电路图如下所示图2.4粒子算法的概念图2.2推进器的选定传统推进器一般质量和体积大，显然，传统推进器不能用作立方星。 由于立方星的独特特征，它所需的推进系统电压低，功耗低，体积和质量小，立方星自身所需的推力和比较冲击小，最小推力脉冲为10-4-10-6N。 s期间，我们正在考虑用微推进器来实现。 微推进器是一种基于MEMS的微推进系统，从目前的研究中主要分为电推进和化学推进，据相关文献称，电推进器在原理上分为三种，电推进器的推进功耗相对较高，静电式电推进器所需的驱动电压较高， 电磁式电推进器的推进虽然目前的技术比较成熟，但没有发挥MEMS的优势，不适合体积和质量大、体积小的立方体星，化学推进比电推进更适合立方体星，化学推进系统的功耗低，能产生准确的小推力， 而且本身没有可动部件，对于工作可靠性高、寿命短的问题，增加推进单元阵列的数量，携带多个推进单元阵列就可以解决4。我们采用了固体微化学推进器，采用了现在广泛使用的硅材料和硅的微细加工技术，采用该推进器的一大优点是，可以在同一芯片上集成制造各种尺寸的储罐，填充了与慢封不同的推进剂， 而且，可以在1cm2芯片上集成106个微推进器，高集成度大大降低了芯片的成本，并且在采用一定的逻辑功能时，可以产生特定的请求脉冲。关于化学推进器的装药的选择，必须考虑微推进器和立方星自身的特征。 首先，因为装药量少，必须采用电气点火方式，所以装药在电热的作用下容易直接点火。 其次，药室小，一般要求亚毫米级，药剂的点火极限直径尽可能小，为了避免小直径药剂难以着火的情况，通过查阅资料5以斯蒂芬酸铅为主要药剂为佳，斯蒂芬酸铅的电热感度好，属于弱起爆药在药室的高集成度、药室的直径小的地方，史蒂夫酸铅的给药量为0.32.8mg的情况下，推力约为0.050.38mN，总脉冲量约为3.2*10-53.0*10-4mN.s，可以认为几乎能够满足立方星的要求图2.5固体微化学推进器从上图可以从形象上说明芯片的面积和体积，对我们的立方体星的设计非常有益，由于这个推进器的体积小，所以我们可以通过增加推进器阵列的方式来实现我们所需要的推力和比冲等参数，并且体积增加对立方体星的影响不太大2.3姿态控制创新点一般的三轴磁力计使用6.515V的工作电压，但是我们设计的三轴磁力计的内部系统设计中，三轴磁强计的各模块在5V以内工作，能有效地降低电压的种类，降低功率，很好地满足设计要求。3通信模块立方星的通信模块由一个低功率发送器、两个接收器、调制解调器、A/D转换器和发送接收两用天线构成，工作流程如图3.1所示。 常规的条形天线浪费了很多能量，因为在中继信号时没有方向性。 对于体积小的立方星来说，很难提供这样大的能量。 因此，我们考虑两轴定位发送接收两用抛物面天线，能够在放射抛物面定向地放射电磁信号的同时，实现接收方向和放射方向的正确控制。3.1收发天线从图可以看到，我们使用了两个抛物面形状的卫星接收和发射两用天线。 通过位置调节将左下的天线引导到地面站，用于接收地面上的控制信号，同时天线可将中继信号发送到地面上。 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接收来自上空卫星的信号。 两同轴天线的最佳接收定位角度都独立地利用两轴定位来调节。图3.1通信模块的流程图地面控制收发天线高空接收天线图3.2发送接收天线的示意图3.2 .接收机考虑到通信系统中的传输距离的差异和抗噪声能力，选择了两个接收机分别接收地面控制信号和深空间频带的跟踪和数据中继传输信号。 从地面接收信号需要考虑自然或人为的电磁干扰，如地面的边缘、极光、近距离卫星。 因此，Ka频带用作接收机1的工作频带。 如果接收器2需要接收空中远距离的信号，那么人为干扰信号主要来自例如位于宇宙深处的星星等背景，且与前者相比，人为干扰较少。 但是，该传输带宽应该具有远距离、降低的特征并考虑选择Ku带宽和s带宽来工作。 对于上述两种接收机中的每一者，必须集成自适应信号处理器以减少干扰并分离目标。3.3高速调制解调器高速调制解调器采用16QAM调制器。 16AM的调制实现分为正交幅度调制法和4sk叠加调制法。 介绍以下两种调制方法1 )正交振幅调制方法是16QAM调制方式图3.3基于正交幅度调制的16QAM调制器原理框图2) QPSK叠加调制方法是16QAM调制方式QPSK叠加调制方法的核心思想是使用两个调制QPSK信号来组合一个16QAM信号。 合成部16QAM调制信号都是等振幅波，在使用饱和功率放大器分别放大了双向QPSK信号之后，在功率信号上叠加16QAM信号。 由此，可以提高电力效率，利用卫星的能量。 电路图如图3.4所示。图3.4QPSK叠加调制技术的16QAM调制的框图1 )基于两种方案的1Gbps 16QAM高速调制解调器可以实现立方星和高轨道的大容量数据传输。3.4 A/D转换模块我们采用32位精度的结构转换器，A/D转换器就能使无损编码精度为31位，A/D转换器的信噪比很高 以下，其能够实现的结构图如图3.5所示。图3.5通道并行线A/D转换器3.