立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

石海平　付林春　張曉峰（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)

石海平付林春張曉峰
（北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

在對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)調(diào)研的基礎(chǔ)上，介紹了國(guó)內(nèi)外立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制基本情況和立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的基本原理，結(jié)合當(dāng)前航天器電源系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)際及立方體衛(wèi)星技術(shù)特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)比提煉，對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了梳理分析，重點(diǎn)對(duì)供配電體制、結(jié)構(gòu)拓?fù)?、高功率密度?shí)現(xiàn)、接口標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)功耗控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，對(duì)各關(guān)鍵技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用、研究狀況、難點(diǎn)及主要實(shí)現(xiàn)途經(jīng)等進(jìn)行了分析?？偨Y(jié)了立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，指出了立方體衛(wèi)星電源技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)，給出了立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展建議。以上內(nèi)容對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制應(yīng)用及發(fā)展，具有一定的參考價(jià)值。

立方體衛(wèi)星；電源系統(tǒng)；拓?fù)洌魂P(guān)鍵技術(shù)

1　引言

立方體衛(wèi)星（CubeSat）是一種小型化的衛(wèi)星，是目前微小型衛(wèi)星設(shè)計(jì)的主流技術(shù)之一，1U（單元）立方體衛(wèi)星設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體積為10 cm×10 cm× 10 cm，質(zhì)量為1 kg。立方體衛(wèi)星技術(shù)源于美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）出資、由多所大學(xué)負(fù)責(zé)開發(fā)的CubeSat衛(wèi)星項(xiàng)目，其目標(biāo)是制定立方體衛(wèi)星的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。其標(biāo)準(zhǔn)由美國(guó)加州州立理科綜合大學(xué)和斯坦福大學(xué)聯(lián)合制定，提供最基本的、必要的設(shè)計(jì)大綱和指導(dǎo)，保證CubeSat系列中的每一顆衛(wèi)星，都能與釋放裝置正確接口。標(biāo)準(zhǔn)中明確定義了立方體衛(wèi)星的外部尺寸、推薦使用的制造材料、關(guān)鍵約束條件，還列出了設(shè)計(jì)者必須遵守的衛(wèi)星組裝、集成、發(fā)射等的時(shí)間進(jìn)度節(jié)點(diǎn)安排。該標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上奠定了整個(gè)立方體衛(wèi)星或微小衛(wèi)星的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，成為實(shí)際設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)［1-3］。

立方體衛(wèi)星具備普通衛(wèi)星的基本功能，包括姿態(tài)確定和控制、星地通信、星上數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)等。立方體衛(wèi)星可以擴(kuò)展為2U（10cm×10cm×20cm）和3U（10cm×10cm×30cm）等較大的立方體衛(wèi)星。多個(gè)單元立方體衛(wèi)星可以以其中一個(gè)單元提供常規(guī)衛(wèi)星所需要的基本功能，而其它單元根據(jù)用戶需求提供專項(xiàng)服務(wù)，例如對(duì)地觀測(cè)、大氣測(cè)量、宇宙射線檢測(cè)等［1-2］。

立方體衛(wèi)星成本低、標(biāo)準(zhǔn)模塊化、功能易擴(kuò)展、易組網(wǎng)，其應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)電源系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。當(dāng)前立方體衛(wèi)星應(yīng)用與研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，不但在低地球軌道得到應(yīng)用，在深空領(lǐng)域也已開始使用。世界各國(guó)加大了對(duì)立方體衛(wèi)星的投入，美國(guó)、歐盟等主要發(fā)達(dá)國(guó)家都制定并實(shí)施了立方體衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃。隨著國(guó)內(nèi)航天發(fā)展，在空間站、低空特殊任務(wù)等都開始需要立方體衛(wèi)星，而國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命（1年以上）多功能立方體衛(wèi)星幾乎還是空白，因此，應(yīng)加緊開展立方體衛(wèi)星研制工作。

電源系統(tǒng)是立方體衛(wèi)星的基礎(chǔ)系統(tǒng)，直接決定著其使用壽命及任務(wù)執(zhí)行能力。立方體衛(wèi)星長(zhǎng)壽命多任務(wù)需求及立方體衛(wèi)星體積質(zhì)量限制，使立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)航天器電源系統(tǒng)有著明顯差別，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)效率更高，功率密度更大，質(zhì)量更輕，采用更多智能化技術(shù)，更為集約，采用的電源拓?fù)洌P(guān)鍵技術(shù)等與普通衛(wèi)星存在較大的區(qū)別。而當(dāng)前國(guó)內(nèi)立方體衛(wèi)星電源技術(shù)還無(wú)法滿足立方體衛(wèi)星長(zhǎng)壽命、高容量、多任務(wù)使用要求。本文在廣泛調(diào)研及總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有航天器電源系統(tǒng)研制經(jīng)驗(yàn)，對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展概況、基本原理、關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展趨勢(shì)及發(fā)展重點(diǎn)等進(jìn)行了分析總結(jié)，可為后續(xù)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制及發(fā)展提供參考。

2　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀

真正意義上的立方體衛(wèi)星最早于2003年6月30日發(fā)射，包括質(zhì)量為l kg的日本東京大學(xué)立方體衛(wèi)星（CubeSat-XI）、質(zhì)量為1 kg的丹麥奧爾堡大學(xué)立方體衛(wèi)星（AAU-CubeSat1）、質(zhì)量為1 kg的丹麥科技大學(xué)衛(wèi)星（DTUSat）、東京技術(shù)研究所的質(zhì)量為l kg的（Cute-1）和美國(guó)Quakefinder LLC公司的質(zhì)量為3 kg的地震衛(wèi)星（MOST）。2010年11月，NASA從FASTSAT衛(wèi)星上成功釋放了一顆立方體衛(wèi)星——NanoSail-D。此外，歐盟在第七研發(fā)框架計(jì)劃（FP7）下實(shí)施了“50顆立方體衛(wèi)星組成的用于開展低熱層探測(cè)和再入返回研究的國(guó)際衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目（簡(jiǎn)稱QB50項(xiàng)目）。該項(xiàng)目由馮·卡門流體動(dòng)力學(xué)研究所（VKI）聯(lián)合歐洲航天局（ESA）等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)共同提出，采用50顆2U立方體衛(wèi)星組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)低層大氣的多點(diǎn)在軌測(cè)量，同時(shí)在星座中開展衛(wèi)星再入大氣層過(guò)程的一些相關(guān)研究。QB50立方體衛(wèi)星已于2015年陸續(xù)發(fā)射［1-2］。

國(guó)外立方體星在高校、政府部門及商業(yè)公司中呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢(shì)，其集成度高，功能越來(lái)越復(fù)雜，功率密度也越來(lái)越高，1U立方體星功率等級(jí)已經(jīng)能達(dá)到40W。配電與電源管理系統(tǒng)利用CPU、固態(tài)功率開關(guān)等智能化元器件，通過(guò)系統(tǒng)總線連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)智能化。一塊電路板上集成了電源管理、傳感器、通信模塊、存儲(chǔ)器等功能模塊；立方體星研制、試驗(yàn)等標(biāo)準(zhǔn)初步形成；出現(xiàn)了較成熟的市場(chǎng)化產(chǎn)品，各個(gè)系統(tǒng)都有現(xiàn)成的商業(yè)化產(chǎn)品出售；出現(xiàn)了以工業(yè)級(jí)元器件構(gòu)建的立方體星電源系統(tǒng)，并具備了在軌應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。只要通過(guò)組裝測(cè)試就能夠完成立方體星研制，使得研制周期更短，費(fèi)用更低，應(yīng)用更簡(jiǎn)單便捷。表1整理了國(guó)外在立方體衛(wèi)星發(fā)展過(guò)程中具有里程碑意義的一些發(fā)展成果及其研究機(jī)構(gòu)［4-5］。

表1　立方體衛(wèi)星主要發(fā)展節(jié)點(diǎn)及其研究機(jī)構(gòu)Table1　Main development milestones and corporations

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要由電子電源模塊（EPS）、蓄電池模塊、太陽(yáng)電池等組成。EPS是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)最重要的部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的控制、分配，對(duì)系統(tǒng)的測(cè)控保護(hù)等功能，該部分技術(shù)水平的高低直接反應(yīng)了立方體衛(wèi)星電源水平的高低。當(dāng)前，國(guó)外EPS已實(shí)現(xiàn)較高水平的集成，相同體積下處理的功率越來(lái)越大。當(dāng)前商業(yè)上可購(gòu)買的1U立方體衛(wèi)星EPS可處理的功率已擴(kuò)展至近40W，使用的器件為工業(yè)級(jí)器件，并通過(guò)了飛行驗(yàn)證。很多主要模塊都已做成芯片，大大提高了系統(tǒng)的集成水平［6］。

Gomspace公司CS-3UEPS2-NB系列的EPS實(shí)物及原理框圖如圖1和圖2所示。

圖1　CS-3UEPS2-NB系列EPS外觀圖Fig.1　Outline of the series of CS-3UEPS2-NB EPS

圖2　CS-3UEPS2-NB系列立方體衛(wèi)星EPS原理框圖Fig.2　Schematic diagram of series of CS-3UEPS2-NB EPS

國(guó)外立方體衛(wèi)星太陽(yáng)翼有多種類型，太陽(yáng)電池片除了體裝式部裝外，還有多種展開式太陽(yáng)翼，能根據(jù)立方體衛(wèi)星應(yīng)用布局，選取合適的太陽(yáng)翼種類。

國(guó)外常用太陽(yáng)電池部片形式如圖3所示。常采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到30%。

圖3　國(guó)外常用立方體衛(wèi)星太陽(yáng)電池部片及太陽(yáng)翼形式Fig.3　Universal solar panels of foreign CubeSat

蓄電池方面，國(guó)外主要采用鋰離子蓄電池組，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有對(duì)鋰離子蓄電池組完備的充放電控制、系統(tǒng)檢測(cè)與管理能力。

國(guó)外普遍采用模擬最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)了芯片化集成，具有立方體衛(wèi)星級(jí)的可展開微型太陽(yáng)翼技術(shù)，整星集成度高，功率密度大。

2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)高校從事微小衛(wèi)星領(lǐng)域研究的主要有清華大學(xué)、浙江大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國(guó)防科技大學(xué)等。

2010年9月浙江大學(xué)成功發(fā)射了皮星一號(hào)A（ZDPS-1A）衛(wèi)星。其電源分系統(tǒng)采用了三結(jié)砷化鎵、鋰電，采用直接能量傳輸拓?fù)?，平均功率不小?.5W，分系統(tǒng)效率大于85%，質(zhì)量100g，電源板10cm×8cm×2cm，為QB50衛(wèi)星之一。

該星電源包括太陽(yáng)電池陣、鋰離子蓄電池，電源控制設(shè)備包括太陽(yáng)電池電壓調(diào)節(jié)單元及繼電器開關(guān)，電源變換器包括功率分配單元、限流防短路單元、電源監(jiān)測(cè)單元，電源配電接口包括電源走線及一系列接口。此外，系統(tǒng)還有一系列測(cè)試接口。整星采用體裝式太陽(yáng)電池陣部裝，其電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

可以看出，該星電源系統(tǒng)不含最大功率點(diǎn)跟蹤控制環(huán)節(jié)，采用體裝式部片，電源拓?fù)浔容^簡(jiǎn)單，由于采用體裝式部片，且沒有采用MPPT技術(shù)，系統(tǒng)總功率受到了極大限制。

作為QB50計(jì)劃的一部分，西工大于2015年發(fā)射了翱翔一號(hào)立方體衛(wèi)星，其為2U立方體星，體積為10cm×10cm×20cm，質(zhì)量為2～3kg，整星功率為3W，軌道周期為90min，采用砷化鎵太陽(yáng)電池片，星體部裝。

1U立方體衛(wèi)星電源的發(fā)電功率一般為5～15W，電源是以能源組件的形式出現(xiàn)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)立方體衛(wèi)星，發(fā)電常采用較高效的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池及星體表裝式部裝，儲(chǔ)能裝置采用高比能量的鋰離子電池，能源管理和配電較為簡(jiǎn)單，現(xiàn)階段我國(guó)受基礎(chǔ)工業(yè)技術(shù)的制約，目前實(shí)現(xiàn)高度集成化有一定的難度。我國(guó)現(xiàn)階段的立方體衛(wèi)星功能較為單一，整星功率較小，系統(tǒng)集成度低，大多數(shù)立方體衛(wèi)星只帶有一次性干電池，或只有表貼式太陽(yáng)電池片，這大大限制了立方體衛(wèi)星整星的功率容量［7-8］。

圖4　ZDPS-1A立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4　Power system structural diagram of ZDPS-1A

3　電源系統(tǒng)基本組成及關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1電源系統(tǒng)基本組成及原理

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池、蓄電池模塊、電子電源系統(tǒng)（Electronic Power System，EPS）等組成，EPS由調(diào)節(jié)控制、電壓變換、配電及保護(hù)模塊組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出電能的控制、調(diào)節(jié)、變換、分配與保護(hù)，是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的核心部分。蓄電池模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池組的管理與控制。太陽(yáng)電池的部裝形式是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要部分。常用立方體衛(wèi)星電源原理框圖如圖5所示。

圖5　立方體衛(wèi)星電源原理框圖Fig.5　Principle diagram of CubeSat power system

3.2關(guān)鍵技術(shù)分析

3.2.1電源系統(tǒng)拓?fù)?/p>

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓?fù)涑尸F(xiàn)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程，根據(jù)衛(wèi)星用途及載荷等的不同，立方體衛(wèi)星供配電系統(tǒng)主要有以下幾種電源拓?fù)湫问健?/p>

1）一次性儲(chǔ)能電池電源

在工作壽命較短的立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，常常采用一次性干電池作為系統(tǒng)電源，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但系統(tǒng)壽命短、功能單一。

2）太陽(yáng)電池—蓄電池不調(diào)節(jié)拓?fù)?/p>

該拓?fù)涮?yáng)電池陣輸出通過(guò)二極管直接與蓄電池連接，形成不調(diào)節(jié)母線，其拓?fù)湔{(diào)節(jié)環(huán)節(jié)少，能減少功率損耗，但對(duì)太陽(yáng)電池板的利用率不高，且不能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理與控制，不適合采用鋰離子蓄電池組的電源系統(tǒng)，如圖6所示。

3）開關(guān)分流調(diào)節(jié)拓?fù)?/p>

該拓?fù)渫ㄟ^(guò)功率開關(guān)對(duì)太陽(yáng)電池陣輸出功率進(jìn)行分流調(diào)節(jié)，可對(duì)蓄電池進(jìn)行充電保護(hù)，它為半調(diào)節(jié)拓?fù)?，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能較齊備，應(yīng)用多，如圖7所示。但此拓?fù)鋵?duì)電池板電能沒能充分利用，限制了其功能密度的提高。

4）最大功率點(diǎn)跟蹤電源系統(tǒng)

最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）電源拓?fù)涫钱?dāng)前最先進(jìn)，也是國(guó)外使用最多的立方體衛(wèi)星電源拓?fù)?。該拓?fù)渚哂幸粋€(gè)帶最大功率點(diǎn)跟蹤的充電調(diào)節(jié)模塊，能實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)電池陣的最大功率工作點(diǎn)，并能對(duì)蓄電池充放電等進(jìn)行全面保護(hù)，是一個(gè)完備高效的立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D8所示，電路原理圖如圖9所示。

圖6　立方體衛(wèi)星太陽(yáng)電池—蓄電池不調(diào)節(jié)電源拓?fù)銯ig.6　Solar-battery un-regulation power system topology of CubeSat

圖7　立方體衛(wèi)星開關(guān)分流調(diào)節(jié)拓?fù)銯ig.7　Switch shunt regulation topology of CubeSat

圖8　立方體衛(wèi)星最大功率點(diǎn)跟蹤電源拓?fù)銯ig.8　Power topology of CubeSat with maximum power point tracking（MPPT）

圖9　立方體衛(wèi)星最大功率點(diǎn)跟蹤電源拓?fù)潆娐吩韴DFig.9　Principle diagram of CubeSat MPPT power system topology

3.2.2高功率密度實(shí)現(xiàn)

立方體衛(wèi)星功率越來(lái)越大，但由于體積限制，要提高功率等級(jí)，必須提高功率密度。當(dāng)前提高立方體衛(wèi)星功率密度的途經(jīng)主要有以下幾個(gè)方面。

1）最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的應(yīng)用

MPPT能控制太陽(yáng)電池陣工作在最大功率點(diǎn)，使相同面積的太陽(yáng)電池陣能產(chǎn)生更多的電能，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的功率密度。當(dāng)前國(guó)外普遍采用MPPT技術(shù)，并能做到芯片級(jí)集成，且大多采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因而系統(tǒng)可靠性更高。當(dāng)前國(guó)內(nèi)上天的衛(wèi)星基本還未采用該技術(shù)，地面應(yīng)用中該技術(shù)常常通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，往往無(wú)法滿足空間高可靠性要求。

2）芯片級(jí)電路集成

國(guó)外立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)集成度高，幾乎所有的電源系統(tǒng)管理與控制都集中在EPS板中，蓄電池充電控制、MPPT調(diào)節(jié)、配電保護(hù)及電源變換模塊控制部分等都實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)集成，這大大提高了系統(tǒng)功率密度。國(guó)內(nèi)當(dāng)前還難以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)集成，大多通過(guò)采購(gòu)國(guó)外現(xiàn)成的集成芯片提高集成水平。

3）可展開式太陽(yáng)翼技術(shù)

由于立方體衛(wèi)星表面積受限，如果不帶可展開太陽(yáng)電池板，其部裝的太陽(yáng)電池片面積會(huì)很小，限制了整星功率的提高。當(dāng)前國(guó)外立方體衛(wèi)星具有多種形式的可展開式太陽(yáng)翼（圖10），國(guó)內(nèi)到目前發(fā)射的立方體星（1U到幾個(gè)U）還都采用體裝式太陽(yáng)電池片部片，要采用展開式太陽(yáng)翼，必須攻克微型可展開太陽(yáng)翼機(jī)構(gòu)技術(shù)。

圖10　某型立方體衛(wèi)星多角度可展開太陽(yáng)翼Fig.10　Multi-angular extensible solar panel of some CubeSat

3.2.3功耗控制

牛皮糖則并不畏懼趙書記，相反他覺得書記很容易親近。他找過(guò)書記。村里搞產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推土機(jī)鏟掉了他們種的苧麻，統(tǒng)一栽種了西瓜，牛皮糖不滿，去縣里找了趙書記。雖然趙書記忙，沒接見他，沒能給他解決問題，但趙書記讓秘書帶給了他一句話。這讓牛皮糖很受用，也很踏實(shí)。他是個(gè)有頭腦的人，他知道不能經(jīng)常為些小事去找政府找書記，否則就不靈了。只有在那些決定命運(yùn)的大事上才能拿出手中這張王牌，一舉成功。他想，他該去找找趙書記了。

立方體衛(wèi)星體積小，散熱面小，熱控實(shí)施比較困難，必須提高電源系統(tǒng)整體效率，減輕熱控系統(tǒng)壓力，保證各元器件工作在合適溫度。因而必須嚴(yán)格控制系統(tǒng)的功耗，除了在具體的電路設(shè)計(jì)中注意功耗控制，更要對(duì)母線體制、功率回路等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

母線體制主要涉及母線電壓及母線總數(shù)的選擇。為了減少一級(jí)變換，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)常常分為3 V母線、5 V母線、8V母線、12 V母線、28V母線、不調(diào)節(jié)母線等類型，為了減少通路損耗，在允許的條件下盡量使母線電壓高。

要對(duì)立方體衛(wèi)星各系統(tǒng)模塊進(jìn)行合理布局，應(yīng)盡量減小功率回路長(zhǎng)度，控制功率回路阻抗，減小功率回路損耗。

3.2.4接口標(biāo)準(zhǔn)

立方體衛(wèi)星提出的目標(biāo)之一就是要形成統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外尚未形成具有權(quán)威性的接口標(biāo)準(zhǔn)，特別是分系統(tǒng)內(nèi)部、分系統(tǒng)之間、大系統(tǒng)之間等標(biāo)準(zhǔn)還遠(yuǎn)未形成，作為航天器研制的總體單位，在接口標(biāo)準(zhǔn)的制定方面有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)在這方面加大研究投入，把握時(shí)機(jī)，掌握研制制高點(diǎn)［10］。

4　應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)分析

近5年來(lái)，世界許多國(guó)家與機(jī)構(gòu)開展了立方體衛(wèi)星研制與發(fā)射，美國(guó)、歐洲各國(guó)、日本、俄羅斯以及加拿大等國(guó)家紛紛開展了自己的立方體衛(wèi)星研究和軍民兩方面的應(yīng)用探索。美國(guó)預(yù)計(jì)到2020年前其立方體衛(wèi)星具備攻擊地球同步衛(wèi)星的能力，2030年前基于立方體衛(wèi)星的空間機(jī)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)成熟，完成空間試驗(yàn)研究，具備裝備能力。

當(dāng)前立方體衛(wèi)星呈現(xiàn)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、一體化設(shè)計(jì)與集成的發(fā)展趨勢(shì)，出現(xiàn)了“即插—即測(cè)—即用”的快速集成和測(cè)試技術(shù)，并加速向應(yīng)用轉(zhuǎn)移，具備了應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的高效、高精度快速反應(yīng)能力，通過(guò)立方體衛(wèi)星編隊(duì)，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間、觀測(cè)精度等性能指標(biāo)。

綜合立方體衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)及立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)。

1）功率密度將進(jìn)一步提高

立方體衛(wèi)星應(yīng)用不斷擴(kuò)大，整星功率也越來(lái)越大，隨之系統(tǒng)的功率密度也越來(lái)越高，為此，諸如MPPT、微型太陽(yáng)翼展開機(jī)構(gòu)、芯片化集成技術(shù)、高效太陽(yáng)電池片等技術(shù)將得到普遍應(yīng)用或成為研發(fā)熱點(diǎn)。

2）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范越來(lái)越重要

立方體衛(wèi)星最開始提出的目的之一就是要統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，以降低研發(fā)成本與時(shí)間。但由于立方體衛(wèi)星研究機(jī)構(gòu)較多，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)本身及其與其它系統(tǒng)之間都遠(yuǎn)未形成經(jīng)各方認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，這必將成為立方體衛(wèi)星研究的熱點(diǎn)，也是立方體衛(wèi)星技術(shù)的制高點(diǎn)。

3）芯片級(jí)集成技術(shù)將成為發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)

由于立方體衛(wèi)星體積限制，要進(jìn)一步提高供配電系統(tǒng)集成度，必須對(duì)供配電功能模塊實(shí)施高度集成，這涉及到芯片化集成技術(shù)、薄膜電路技術(shù)等的突破與發(fā)展。相比國(guó)外，國(guó)內(nèi)這方面技術(shù)落后，更應(yīng)該成為技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵點(diǎn)。

4）運(yùn)行與管理智能化

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)各種遙測(cè)遙控量及管理十分豐富，常常需要高效的智能化管理平臺(tái)，這也是保證系統(tǒng)可靠性的重要組成部分，隨著后續(xù)立方體衛(wèi)星發(fā)展，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)智能化管理必將成為后續(xù)發(fā)展的主要方向。

5）形成電源系統(tǒng)研發(fā)及測(cè)試集成新模式

由于立方體衛(wèi)星研制周期短，成本低，發(fā)射方便，特別適合進(jìn)行空間電源新技術(shù)驗(yàn)證，通過(guò)立方體衛(wèi)星驗(yàn)證的新技術(shù)再應(yīng)用到其它領(lǐng)域或大衛(wèi)星，這將開啟空間電源技術(shù)探索創(chuàng)新的新模式。

5　展望與建議

當(dāng)前世界各國(guó)和機(jī)構(gòu)都在積極開展立方體衛(wèi)星研制，近年來(lái)立方體衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量逐漸增加，性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，在可預(yù)見的將來(lái)，立方體衛(wèi)星將會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，并在通信、遙感、深空應(yīng)用、空間科學(xué)試驗(yàn)、新航天器研發(fā)與研發(fā)體制創(chuàng)新等領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。以美國(guó)為代表的世界各國(guó)都將立方體衛(wèi)星研發(fā)作為未來(lái)航天發(fā)展的重點(diǎn)之一，制定了規(guī)劃并加大了投入，該領(lǐng)域必將成為未來(lái)發(fā)展的熱點(diǎn)及競(jìng)爭(zhēng)的角力場(chǎng)。為此，必須順應(yīng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，把握當(dāng)前寶貴時(shí)機(jī)，積極主動(dòng)布局，以高性能立方體衛(wèi)星研究為牽引，探索研發(fā)管理模式，為形成空間微系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開拓新興高性能微小衛(wèi)星應(yīng)用市場(chǎng)奠定基礎(chǔ)。

供配電系統(tǒng)是立方體衛(wèi)星的基礎(chǔ)系統(tǒng)，為適應(yīng)立方體衛(wèi)星的發(fā)展，結(jié)合當(dāng)前航天器供配電系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)際，需要從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研發(fā)投入。

1）加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)，建立標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

立方體衛(wèi)星提出的目標(biāo)之一就是為了形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，創(chuàng)新航天器研制模式，提高航天器研制效率。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范是立方體衛(wèi)星（供配電）技術(shù)的制高點(diǎn)，適合頂層設(shè)計(jì)與攻關(guān)，特別適合總體單位開展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范設(shè)計(jì)，要乘立方體衛(wèi)星蓬勃發(fā)展而相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還未成熟之機(jī)，提前謀劃，盡快開展相關(guān)研究工作。

2）加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)攻關(guān)

關(guān)鍵技術(shù)突破是供配電系統(tǒng)進(jìn)步的關(guān)鍵點(diǎn)，加強(qiáng)最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)、芯片化集成技術(shù)、微型可展開式太陽(yáng)翼、高比功率蓄電池、高效薄膜電池等技術(shù)的突破與應(yīng)用，是下一步供配電系統(tǒng)進(jìn)步的關(guān)鍵。

3）探索技術(shù)研發(fā)新途經(jīng)，加強(qiáng)技術(shù)引領(lǐng)與轉(zhuǎn)化

由于立方體衛(wèi)星研制周期短、成本低，非常適合進(jìn)行空間技術(shù)試驗(yàn)，因此應(yīng)利用該優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行供配電系統(tǒng)前沿技術(shù)的開發(fā)驗(yàn)證及技術(shù)轉(zhuǎn)化；比如將欲在大衛(wèi)星上使用的技術(shù)，可先在立方體衛(wèi)星上試驗(yàn)驗(yàn)證，待成熟后再轉(zhuǎn)至大衛(wèi)星上應(yīng)用，這樣不但能大大降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，還能促使大膽試驗(yàn)、使用先進(jìn)技術(shù)，利于實(shí)現(xiàn)供配電技術(shù)引領(lǐng)。

另外，由于立方體衛(wèi)星研制建立在統(tǒng)一的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)之上，適合進(jìn)行模塊化研發(fā)設(shè)計(jì)，即插—即測(cè)—即用的立方體衛(wèi)星，可以形成一系列標(biāo)準(zhǔn)化的研發(fā)、生產(chǎn)、組裝、測(cè)試流程，因此，要以立方體衛(wèi)星研制為契機(jī)，不斷探索供配電系統(tǒng)（包括大衛(wèi)星）研制新模式與途經(jīng)。

4）提高集成化水平

必須不斷提高供配電系統(tǒng)的集成化水平，以滿足立方體衛(wèi)星不斷提高的功率密度要求，特別是要加強(qiáng)對(duì)自研技術(shù)的芯片化集成技術(shù)研究。自研技術(shù)的集成化需要先進(jìn)行分立技術(shù)的研發(fā)與驗(yàn)證，然后再根據(jù)研發(fā)結(jié)果，交付集成廠商進(jìn)行集成化生產(chǎn)。分離元器件開發(fā)后是否進(jìn)行芯片集成化生產(chǎn)會(huì)極大地影響分離研制階段的技術(shù)要求，如要進(jìn)行芯片集成化生產(chǎn)，則對(duì)分離元器件研發(fā)階段的各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的要求會(huì)更具體、更明確，對(duì)技術(shù)內(nèi)部機(jī)制需要更清楚明確，這能大大提高研制人員的理論技術(shù)水平，大大提高供配電工程技術(shù)能力。

5）探索系統(tǒng)研發(fā)、集成、測(cè)試新模式

由于立方體衛(wèi)星基于統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，供配電系統(tǒng)更便于模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化研制，能形成不一樣的系統(tǒng)研發(fā)、集成、測(cè)試新模式，也便于進(jìn)行研發(fā)、集成及測(cè)試試驗(yàn)，這為航天供配電系統(tǒng)研制過(guò)程優(yōu)化、系統(tǒng)集成、測(cè)試創(chuàng)新提供了便利條件，必須加強(qiáng)對(duì)供配電系統(tǒng)研發(fā)、集成、測(cè)試新模式的探索研究。

6）發(fā)展軟件，提升供配電系統(tǒng)總體能力

由于體積所限及系統(tǒng)監(jiān)督管理及智能化的要求，立方體衛(wèi)星供配電系統(tǒng)更多地通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，軟件更便于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)，更能掌控核心技術(shù)，更能提升總體掌控及協(xié)調(diào)能力。另外，在立方體衛(wèi)星上能很好地對(duì)軟件的空間使用進(jìn)行試驗(yàn)，這為在大衛(wèi)星供配電系統(tǒng)中更多地推進(jìn)軟件化設(shè)計(jì)提供有力支撐，對(duì)供配電系統(tǒng)技術(shù)提升，加強(qiáng)總體能力有著積極作用。未來(lái)軟件將在供配電系統(tǒng)研發(fā)中扮演越來(lái)越重要的角色，因此應(yīng)突破傳統(tǒng)思維，大力發(fā)展供配電系統(tǒng)軟件研發(fā)與應(yīng)用。

6　結(jié)束語(yǔ)

相比大型衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星功率、體積小，但其電源系統(tǒng)功能完備，具有不同的設(shè)計(jì)及技術(shù)特點(diǎn)，研制涉及面廣，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制帶來(lái)了一些新的課題，如高集成化設(shè)計(jì)、新技術(shù)新拓?fù)鋺?yīng)用、智能化設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)化等。由于立方體衛(wèi)星研制的低成本及方便性，給航天器電源系統(tǒng)新技術(shù)驗(yàn)證、新研制流程探索等帶來(lái)了新的契機(jī)。同時(shí)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)與民用有很好的契合點(diǎn)，具有較好的民用轉(zhuǎn)化前景。拓?fù)湓O(shè)計(jì)是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其關(guān)系到系統(tǒng)效率、功率容量、其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難易，這常常容易忽略。立方體衛(wèi)星中，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與其它系統(tǒng)設(shè)計(jì)有更高的耦合度，也增加了其設(shè)計(jì)難度。

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制涉及面多，沒有明確的知識(shí)技術(shù)架構(gòu)，本文通過(guò)對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展概況、基本原理及關(guān)鍵技術(shù)的介紹，使對(duì)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制的關(guān)鍵點(diǎn)、難點(diǎn)、發(fā)展趨勢(shì)等有一個(gè)基本的把握，這有助于立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制開發(fā)。立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)發(fā)展很快，現(xiàn)在的關(guān)鍵技術(shù)、難點(diǎn)技術(shù)隨著技術(shù)發(fā)展會(huì)發(fā)生變化，在研制過(guò)程中要開闊思維，不能被現(xiàn)有技術(shù)和研制方式所束縛，特別是不能被大衛(wèi)星研制的技術(shù)及方式所限，要敢于采取新技術(shù)新想法，實(shí)現(xiàn)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步。

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（編輯：張小琳）

Power System and Its Critical Technologies of CubeSat

SHI Haiping FU Linchun ZHANG Xiaofeng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

An introduction to the power system of CubeSat is described based on the investigation of power system of CubeSat.The principle of the power system is presented.Through contrast and analysis，and by considering the applications and the characteristics of the power system of CubeSat，the key technologies are sorted out and analyzed such as main topologies，system for realization of high power density，interface standards，and control of system power consummation. In summarization，the development trend and emphases of the CubeSat power system have been attained.Some advice on development of the CubeSat power system are brought forward.The results can be used as a reference for the layout and development of the CubeSat power system technology.

CubeSat；power system；topology；key technology

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.018

2016-01-15；

2016-05-04

石海平，男，碩士，工程師，從事航天器電源系統(tǒng)等研究工作。Email：163shppp@163.com。