CubeSat立方星介绍

1、CubeSat立方星介绍1 CubeSat 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

2、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（/images/developers/cds_rev12.pdf。立方星以“U”进行划分，所谓1U即指一个标准单元（体积10X 10X 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v 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

3、3U构型的立方星。常见的规格如下：表格1-1 1U和3U立方星常见规格及技术水平典型歩数1U3U体視（曝开前）10 cmX 10 emX 10 cm10 cmX 10 cmX 34 cm太阳赳池板固宦式很少有廉:开）固定式，展帚和崖按功率/W賓平均）-詆固定式平均）.25（JRJF式平均）募电池/mAh22004400夭线瞅忖取杆取杆、離转思5 m PHJ&dU）通信UHF/VHFS&.UHF/VHF数传速率9600 kbit3 Mbh/s(下传)姿态控制辭（被动穗定r-io*力矩）A強 K 反作用轮）姿畫确峑3*4覽皑螺、盍阳、磁强计wr（地平仪人抽角秒（星敕总器）推进舞无袴丸，电推进、太阳

4、风小于100 m/s）可展开性天线天缆、太阳电池檢、系细、神展杆（0.5 m）寿釦年有效载荷阵积/U几5量大）0. 52表格1-2微小卫星规格划分ClassWet Mass (kg)Minisatellite100 -500Microsatellite10-100Nanosatellite1 - 10Picosatellite0J-1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

5、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。表格1-3 20102013年间全球发射的立方星典型实例序号卫星名韩发射日期轨逋塞数远地点/ 近地点*傾角质童与结构卫星系统组成技术性能和特点1屡理在轨实验Q/QREOE) 图1間201 加 11-20641 km/G弗 km

6、，i=ir5 WU通过实时裁据传输把实番结 果传到地面,以往是把懐照射样 本带回地面，藏后进行井折硏充实旄比術在克向披照射生存状毎*第 亍立方休有两斡匱生鞫:常草杆曹和红皮 嗜盐菌=第Z个立方悴测空间环境对4 种生鞫代合钩产生的塞响=第3节立方 体安装卫星平台巒曙设备.卫垦蜒盘轴A 旋转 r/mn2朝帆(NancSail-Ee 图 1(b)201M1-2&641 kmZGSE krmI-72T4kg,3U荷兰症术大学师生研制采用 的技术布:自主太期毀感器： 曇薄丈阳电池片:先进商效 嘩啓卑收崔机興国首战由一離懂卫星中釉啟第卫星， 并且成功发肘了 1平10曲太阳朝卫星. 卫星运行寿命为70-12

7、0決，轨道试验的 曲功可为斡率小卫星提供轨道机动能力. 制时鮭藕少轨道空间碎片豪的一种 有敢方祛3印度Jus侃1卫星图吐C)3011-1th 138fi7 km/8&7 km,4的U工粹寿命】年.休義丸阳儀 电池片与内装蓄电迪放苒尔輯技研究所的农业和灾睿监测 卫星,星上有察咸博系统、近红外摄惊机琥 测植物生底状克GPS收机用于跟踪 和校性構童装置误崔4錨更电离立方悻显 $fe(EnamirItmcsphert Cubet FjqieriniEnt, DICE) 图 1(d)3011-10-2fi&2A km/824 km,丈阳同步轨道3 g由两牛15U组成毎颗卫星由两个1.盹齟曲 同时发射两頼

8、部署在同一软道. 相隔一定相也绘制炮诫貝鼻堰强幣愷(匪亦,琴离手 体膨胀和羽状申成哋球的电商层.两福 星姿态皆为自旋裁定.两弱星同时滝董 等离子体密度和电场t观苗电离层中等离 子丼帝度引起电世性能所发生的变代5貳力梯度 丸学立方阵星CUniCubeSeit GG)20)3-02-131200 km/1200 hni=7f1 3UlUiAR上下善帅出2-3 m 世童力择度FL形昶 力樺度姿 态稳定4T端点各装有两块固定 玄阳电池團.柞为直力杆配直盍尢利麥马丸学研制用于姗究鬲层大 代物理学+星上有蚊载荷対中性耕层密度 观测牧6鬟国现测空间 碎片宝远犍 (STTytEA-Ri) 图Kf)301213

9、T?0 km/4B0 kmi644 kgt3U由两轶3U组曲，有4中可展 开的囿定丸阳电池板有敢戦荷配有光風像乘统.可聲壕和细 分空间晖片幣状大小匀分市弹悄進豪JW 测空间晖片的一种儒方法两黑3U柑隔 W 180也羊个轨證周期可且現鬧全轨 道空崗碎片7PttW训和埔星演示1卫星 D 團32013-02-25?50 km* 尢阳同歩轨道lSkg.su3U纺输*有毀龜荷为神能手 机.诙由PAJlMtt术有IR 卷司工程彈利用空阖时阖那制 釆用甫埼南用现货器件曲本 低*卫星姿态为高糯度三雜隐酬制目的;陪养与训练技术人员的卫星 设汁研牆和撕作能力*鱼fihl曹新的髙性 能计算机J台现代化的售館手机(采

10、用 Amlrnd操柞5E)J个斯的电推进系瓠、 个卿的3输帝定的蟹态与轨道挖齣乘 统(包括徽飞轮、徽嵐力矩器、衣阳F地球敏 感器等)序号卫星霜耕境射日期轨道參載远地扁近地点甫质*与 堵构卫廉靈饶齟成技术性骼和特点a立方依系聲卫星(TeihefSit)图 1(h)计划因总年第三季度652 kWBiL km, 尸彎3kg,3U靠绳画竭各为1+5U立方协 连成的系亀卫星，廉境隹1km美国海军研喪院和NASA合作进行空 间实验系嵬电推进性能9空间环境射卫呈 宴豔(SENSE) 01(0计划2013年第三李度66E km/641 km,i=7TSkgU3U立方体里上 WWB0定式 丸阳电沦扳，面积为1.

11、&由1.同 时炭射2颗卫星处于拥隔一定 相位的同一Stiff)具体已标定采购壻五星#收评轿擋 标和确定总變与各种传JS器技术成熟崔 度等.2 9卫星各带有不同轨道环境螯 数测童條可同时现制10立方荐观瀟离子、 中子、电予和倦场(QNEMA-2)卫星H31计划0013年第4華度770 knV 側 Wi-64*kg*3U舅.畴*罪三国督柞，装有理稱 高子.中子、电于和磴輔的有蚊 *提拱靈要黃吒现测數据側如离灵敏度 高鹏中性原子(EMAS囲煤側绘毎另外 选择敏感券旁辖来发射昭凰星应作好脑 期研究工作3(c) Jugnu 卫星山生命物M机物躱露在轨实验纳帆(d)动态电离姑体星实輛重力梯匪犬学立方休星r

12、D类国观测空间碎片望远鏡回萨瑞培训和纳星演奂|卫星5(h)立方体系绳卩星(0空间环境纳卫星实验 立方体观测离4中子、电千和磁场卫星图1-1立方星典型实例图1-2 中国参加的BQ50工程示意图科学单元:低热层探测由专业的委员会为所有立方星选择传感器功能单元:电源，CPU,通信各大学可以自由选择搭载的科学装置图1-3 BQ50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。图1-4斯坦福大学某型CubeSat卫星图1-5 某型CubeSat卫星在轨

13、示意图7图1-6 AAUSAT3卫星3U结构图1-7某型CubeSat卫星图 1-8 NanoSail-D 卫星图 1-9 CubeSat 装配图 1-10 3 x 3 CubeSat构型图1-11 CubeSat卫星可由运载器在轨弹射发射11CubeSat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分系壕名称0. 5U“1U1.5U2U3U4U5U61!立方体星平台J屋土电瀰JJJJ曹电池J 1JJ玄阳电池板7JdJ孑姿态控制J结枸J4J收发机7天线J星上tf算机d软件J发射展开机掏J附劇设备J融面站

14、没备JJJ7VCubeSat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。太阳敏感黑 分离开关右英吋钟4 MHz微控制器3,3 V调制器 CMOS 机（像素：640-480）標氧处电电池（S0mA-hl姿念控制模块2.4 GHz*线电模块（a）正视图（b）背视图#图1-12 萨瑞大学PCBSat单板式卫星A款#4 MHz微控制器通信模块太阳敏感器3.3 V调制器2.4 GHz无线电模块宇GPS接收机及天线jtrgCMOS相机（像素:640x48

15、0）3锲离子电池13#汴一：尺 T 为 9 cmX 9. 5 cma图1-13 萨瑞大学PCBSat单板式卫星B/C款#人阳电池(a)給枸图=电竝系统电谏乘统竝h：教抿-地臨持图 1-14MCMSal I J/MC?MSue 厳拭电M(a)糠念设计(b)機心电賂板诂配并的1!吊.萨瑞大学FM型PCBSat单板式卫星(b)正聞图可见比敎荷 细L电渔转换闕时胖 裔电池(c)背面图#图 1-15 MCMSat 设计#CMOSimagerConfiguration: j10gf 20x13x3 mtn (largest di possible)JThermalControlAttitude/Orbit

16、ControlSolar self-poweredcircuits图 1-16 单片式卫星(monolithic satellite-on-a-chip )构成示意图表格1-5未来微小卫星对比卫星技术单颗卫星 的成本每瓦功率 的成本每立方闻米 体积载荷的成木任务总成本CubeSat75 00031 0000- 292900 000SpaceChip2700551 0000.220174 000PCBSat12 00013 0000. 943264 000MCMSat20 00023 0001, 600352 000152 CubeSat结构设计CubeSat卫星以U为基本结构单位，可在在一个轴

17、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2-1 1U、2U、3U的CubeSat卫星构型图2-2 CubeSat卫星结构设计示意图（1）图2-3 CubeSat卫星结构设计示意图（2）图2-4某型CubeSat内部结构示意图17I天线I无线电援收曙1有嵌魏芍Q II电池组辰悴用轮|姿态控制系统|有救裁荷Cggggg电源面色3i&.00mm3QB.4(knm26S5ftnmffi5-60mm24250mm矽 3QnrrniGO.TOnrm17?闿ij.LuF Ar*mj=.EK|A j nJ num Panel wdublrj

18、ersp kiSCLMiH-CJOr6ofdL DudKitdn RriMKCTl图2-8 某型CubeSat分解图#V图2-9 CubeSat装配示意图图（1）0图2-10 CubeSat装配示意图图（2）2325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#deploymentoption 1:tubular Z-folded legs, preibrredoption I, option 2 卩 referredleg directions also change: legs uspread,Foption 2: pantho

19、graph legsaperture frame may be non-planarelastic deplj lanyard ccnirol possibleradial deploymentradial dcpl.by leg raration图2-12 CubeSat的可展开衍射镜头#aperture assemblytension pans and (heir supportthree legs(a) Major substructures.O16 cmspreader barEipcrlurc diskedgecatenaryregion oTradicilX force flowR

20、s=41.14n f film 儿厂sheet spreader cordcross beam + link suspension structuretratne strut(b) The aperture assembly.lubular, z-lbldcd in stcwa莒u basesupports legsT inteiiaces bus, houses eomponcnrs that contruJ dcplmL27#图2-13 CubeSat的可展开衍射镜头图2-14 CubeSat的可展开衍射镜头#图2-15 CubeSat的可展开衍射镜头图2-16展收机构3 CubeSat运

21、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3-1 CubeSat卫星的运载适配器（1）29#图3-2 CubeSat卫星的运载适配器（2）#M-DEPlQyHEUr SVITCHB-SEPXRATtOUorriow 倉OPTItei BX： DFI TCT CLTti L rm 5 3DE *2F日5 MINTEEDCC巳日3u cueesAt specificationA3BBPLACEMENT OPIIMIS FOR DZPL&YMEin SWITjHES Ai4D SEPARMIOH SPRIGS4 11 日出plOyiwuL bu- LmXiIgf Rd

22、 LmlAl lua=s L Cj口曲 ferllijji. :dliail h1 Cub&Snts.-Canter of gr-abi*y shtsll 1m located hi th is -a. s-phare of 2 cn frail its geonriG oacsr.Shal E. ：LQicorjioratB 3. FietECiv*& Elefoxtr Flight pin JR leunch pith, batteries fully diEi7h.ar7B4 Ha Bicarfial coupcipbiii:专 oilier Thn rhe r113 shall lou

23、cb. rtia livKd# nF tii P-POD.Be 12c shall b aLomiEimi h-ar anodLXDd HUTES DfplrymNiI mlub ond 葺spring i： 1口匚和昭口t 日uhemuh VunuL hi Cf；!. ion A and Q. DaplayTrnHit witcli) ibaiild Cxxbpotlbltid mitb *Z Goaar?t points-rFE*3伽 fri/l T/W叶点F.Pa.iwII-rkI w 1*41 薛 UA|b C*J IV-sflr w i-3j 7BE CT fian Lb-ra 0*

24、 3fa & iJ*OTI典亡匚ESSPQHTADDITIONAL NOTES:e. S Hjw-一3 5 *,Nr1 TLXSIDE -ZLn_4L. 24_L BIHEhSlONS IN millimeter UNLESS OTHERWISE NOTED.CUBESAT SPECIFTUATinNREVi 1?!LJFOftNl/i PDLVTECHNl匚翔2TE UNtPSITy RDSPACE EhfeGINEEftlKi BEPSTMEHT ?Ak LUIS 0SI?PO- S 07 C0CT5)756吁&0了ROUNU ALL DGK ANi CORNERS-id i 卄 cc B

25、ETtEkDTE1 A阳电 ii MDG勺MDT TD SCALE- Sppnmt irrn 畸jprinjjwPin hi Fmtnd at 3dcUaBtr Carr (P/bJ图3-3 1U规格CubeSat卫星运载适配器设计2345B7*ACCESSDE -SPORTACCESSFORTil&HECl 巳 PE日 f AAED呼 BPWQwtQ 6r PGIJ 脉* 1117 r12A图3-4 3U规格CubeSat卫星运载适配器设计31CubeSat Acceptance ChecklistRevisim： 12Rewicfi Ddte-r August L 2009 Author:

26、 Riki MuruikriitdList ItemActualRequiredMassB30gRemove Before AightPiotrudes 2009Author: Riki Mundbitd*EL IMass 4000gRemove BeFore HightPiubudes flfflSide 2100.0 0.1mmSide 3100.00JwjmSide 4100.0 GimmWidth x-/L BottomSide 1lOO.OiO.lwfflSide 2lOO.Q+O.lmrtiSide 3100.00.1mrtiSide 4100.0 0. lm/MAuthorize

27、d By：Testing Info:rr*i：Dmte:IT #2：Passed: V / NsThis documerit is intended to be used asmurreritiy writtiIntegrjbon Procedure (CIP) and dxnild be used by devekpers before jnd after &jch testing phd to verify It杞 Qi)e5t cfimensiarts dd notchMe.LPt It亡niActualRMiuiredList ItemActualRequiredHeight zjRa

28、il 1340 503mmRail 2340.5 03iwhRail 3340.5 03ffimRail 4340.5 03mmDiagonal x-yTop 1&3Top 2&4Bottom 1&3141V： te signals and more On-board tow-drapout regmlator and reset supervisor for max葩 ckthrouGF15960KB 2KBnorihsiaothronjgfiM0nei255KB 5KB$laklhrouhMlV151150KB 10KBstack 曲 roQZ12F16960KB 2KBstaOEhfDu

29、观3UU fXiOfy ftif 占af gm* cod 电 -FAULTCurrent-limited switch w/protectonV6ATT +SV USB +SV +SV SWTT T 厂CubeSat Kit BUSConsectorEI TVBACKUP VCC SYS GNDFAULT11UProgram& debugTX RX h/sResetsupervsorkHz7-3728 MHzCurrent-limited switch w/p r ot e e t ion-QNi + 5 V -OE MHX -OE USB -OK SD-T-LJT I -+ 3 3vLDOV

30、CCJTAGJ-RMSP43016-bitRISC uCST/MMITJART1 UARTO 3PI1SPIOI2C GPIOrest at I/OVREF-RESETPl 7 _ .0)P3 7 _Pll 7 _PS 7 _P6 7 -00JVREF + VREF- VERE.F4P2 7 -6SDASYSS2 SiSCLSYSUSER11.0-FAULTOFF VCCrAGND47Launch SwitchRemoveBefore-FlightSwitch图4-4 Pumpkin 公司FM430单板机系统构成图CBS (CubeSat Board Specification )包括如下主要

31、方面：Class A: mechanical conformanceClass B: mechanical & electrical conformanceClass C: mechanical & electrical & software interfacing confbnnancc 主要包括机械机构、电气、软件等接口定义。CBS( CubeSat Board Specification)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：81 -9o6L9LDCQ/REF (0,0)6L6LD CQ61/REF (0,0)图 4-5 CBS (CubeSat Board Specification)电路板机械结构规范CBS (CubeSat Board Specification)电路板规范中，电路板的接插件参考PC-104总线，具体