CubeSat系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用研究

黃 浩，劉成鑫，張恩龍

（重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400000）

1 CubeSat系統(tǒng)簡介

CubeSat是一類小型衛(wèi)星，屬于微納衛(wèi)星范疇，廣泛應(yīng)用于高校和科研機(jī)構(gòu)的教育及航空航天研究。CubeSat針對低軌道空間任務(wù)而研制，可應(yīng)用于通信，空間成像，生物學(xué)研究，大氣分子研究，新技術(shù)驗證平臺等諸多方面。作為傳統(tǒng)衛(wèi)星的一種更為廉價的替代品，憑借技術(shù)進(jìn)步帶來的硬件微型化成果，當(dāng)前，CubeSat技術(shù)及相關(guān)項目已獲得飛速發(fā)展，成為探索太空的一種有效方式，并得到了實際應(yīng)用[1]。

CubeSat項目始于1999年，由美國加州理工州立大學(xué)的Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大學(xué)空間系統(tǒng)開發(fā)實驗室的Bob Twiggs教授共同提出。該項目的目的是為皮衛(wèi)星（picosatellites）的設(shè)計提供一個標(biāo)準(zhǔn)，以降低成本和開發(fā)時間，從而開展低成本科學(xué)研究，發(fā)射空間載荷，進(jìn)行國際合作。

CubeSat是由一個或多個質(zhì)量小于1.33 kg，邊長為10 cm的立方體組成，每一個立方體稱為1個單位（1U）[2]。通常，CubeSat的大小以它們的“U”的數(shù)量來衡量。常見的CubeSat規(guī)格一般為1U，2U，3U，6U。CubeSat項目多用于學(xué)術(shù)和研究目的，能夠搭載諸如天體物理實驗、無線電廣播、地球觀測、空間生物學(xué)研究等任務(wù)的載荷，由于其低啟動成本和短開發(fā)周期，CubeSat在高?？蒲校虡I(yè)項目和軍隊實驗項目的應(yīng)用中受到越來越多的關(guān)注。

2 CubeSat系統(tǒng)組成

CubeSat相比傳統(tǒng)衛(wèi)星體積小，重量輕，有較為完整的衛(wèi)星系統(tǒng)，其核心平臺系統(tǒng)包含星務(wù)計算系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)等。

2.1 星務(wù)計算系統(tǒng)

星務(wù)計算系統(tǒng)是CubeSat整星綜合控制和管理的必要系統(tǒng)，具有并行處理不同任務(wù)的多個計算機(jī)，并由這些計算機(jī)組成。其需要處理的任務(wù)有地面指令和數(shù)據(jù)，星上數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和傳送，有效載荷操作，姿控等子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收和處理等。

2.2 姿態(tài)控制系統(tǒng)

CubeSat在軌道運行時，為了完成它所承擔(dān)的任務(wù)，如對地觀測照相機(jī)或者其他遙感器要對準(zhǔn)地面、天線要對準(zhǔn)地球上的衛(wèi)星地面站、太陽能電池板要對準(zhǔn)太陽，必須保持一定的姿態(tài)，需要定向地進(jìn)行操作，就由相應(yīng)的姿控系統(tǒng)對CubeSat在軌道上的姿態(tài)進(jìn)行控制。一般的姿態(tài)控制系統(tǒng)由反作用輪、推進(jìn)器、星形跟蹤器、太陽傳感器、角速率傳感器等構(gòu)成。

2.3 電源系統(tǒng)

CubeSat使用太陽能電池板來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并將電能存儲在鋰電池中。有陽光照射時，由太陽能電池板直接供應(yīng)系統(tǒng)電力和給鋰電池充電；在沒有陽光照射或高耗能任務(wù)開啟時由鋰電池進(jìn)行供電。CubeSat太陽能電池組件通常設(shè)計在機(jī)械結(jié)構(gòu)表面，但這會限制覆蓋面積。故可以采用伸展結(jié)構(gòu)來加大太陽能電池板的面積，但這也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)復(fù)雜化，若伸展結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障不能解決的話，太陽能電池板不能展開發(fā)電，即意味著該CubeSat不能正常工作。

2.4 熱控系統(tǒng)

CubeSat在軌道上受到多種熱源的影響，如太陽輻射，從地球反射的陽光，以及CubeSat內(nèi)部組件工作產(chǎn)生的熱量。為保證CubeSat內(nèi)部組件正常工作，需要將CubeSat內(nèi)部溫度維持在-5～40 ℃，可以采用的溫控系統(tǒng)分為主動熱控和被動熱控，但是精確的溫度控制是很難實現(xiàn)的。主動熱控為由星務(wù)計算系統(tǒng)控制CubeSat內(nèi)部溫控系統(tǒng)主動加熱和降溫。被動溫控系統(tǒng)由多層隔熱結(jié)構(gòu)來來實現(xiàn)。受限于CubeSat的內(nèi)部空間，優(yōu)先采用被動溫控系統(tǒng)。

2.5 通信系統(tǒng)

CubeSat通信系統(tǒng)主要承擔(dān)著控制命令的傳達(dá)，與地面站進(jìn)行上傳、下載數(shù)據(jù)，與其他CubeSat進(jìn)行星間鏈路傳輸?shù)热蝿?wù)。CubeSat的星載通信系統(tǒng)大多工作于VHF/UHF業(yè)余無線電頻段。一般有大量數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)的CubeSat會搭載兩套通信系統(tǒng)，一套用于低速的控制命令傳輸，另一套則專用于任務(wù)數(shù)據(jù)高速傳輸。

3 CubeSat的主要應(yīng)用

CubeSat技術(shù)在過去十多年內(nèi)迅速發(fā)展并充分演變，從大學(xué)實驗室逐漸發(fā)展到商業(yè)提供商的范疇。自1999年，加州理工州立大學(xué)和斯坦福大學(xué)確定CubeSat規(guī)范以來，學(xué)術(shù)界發(fā)射的CubeSat占據(jù)了總發(fā)射量的大多數(shù)，其用途通常用于地球觀測或業(yè)余無線電項目。

與2012年相比，2013年重量小于50 kg的小型衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量增長了330%，發(fā)射的92顆小型衛(wèi)星中，85顆是屬于CubeSat類別的[3]。近年來，隨著市場上ISIS，Planet Labs，SpaceX和Spire等商業(yè)公司的出現(xiàn)，預(yù)測在2014—2020年會發(fā)射2 000多個小型衛(wèi)星。

CubeSat具有標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射接口、低制造和低發(fā)射成本，能夠滿足大學(xué)，研究機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司培養(yǎng)航天人才、以較低成本開展空間科學(xué)研究和探索空間新技術(shù)、新器件的需要，具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和市場前景，其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下。

3.1 觀測任務(wù)

觀測任務(wù)一直是傳統(tǒng)衛(wèi)星所需執(zhí)行的一項重要任務(wù)。觀測是人們生活的需要，比如氣象觀測、地質(zhì)觀測，同樣也是國防建設(shè)與國家安全的需要，比如制空權(quán)、制海權(quán)、制天權(quán)、制信息權(quán)都與衛(wèi)星的觀測密切相關(guān)。而CubeSat憑借著低成本、易于空間組網(wǎng)的優(yōu)勢，能夠很好地承擔(dān)起觀測任務(wù)。例如，2015年9月25日發(fā)射的“南京理工一號”衛(wèi)星，將通過對全球海上船舶進(jìn)行觀測，起到船舶定位的作用。又如2018年2月2日搭載長征二號丁火箭發(fā)射的“風(fēng)馬牛一號”衛(wèi)星就是世界上第一顆全景衛(wèi)星，這顆3U的CubeSat配備了4K高清全景攝像頭，可以360度全方位呈現(xiàn)太空高清照片，每天過境中國3次，可實現(xiàn)與地球的實時傳輸，提供觀測數(shù)據(jù)。

3.2 分布式空間組網(wǎng)

CubeSat體積小，功能單一，但由于其能夠在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)低成本的規(guī)模生產(chǎn)，并且可以實現(xiàn)“一箭多星”的發(fā)射，例如QB50項目[4]，因此，CubeSat在執(zhí)行以星座組網(wǎng)或星群編隊的形式執(zhí)行分布式空間任務(wù)時，表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢。CubeSat在組網(wǎng)條件下，能充分利用星群網(wǎng)絡(luò)下衛(wèi)星數(shù)據(jù)可互為輔助補(bǔ)充和增強(qiáng)的特點，將某些復(fù)雜的衛(wèi)星功能組合化和分布化，從而更好地進(jìn)行功能協(xié)調(diào)，資源共享。分布式CubeSat衛(wèi)星系統(tǒng)可執(zhí)行的典型空間任務(wù)包括分布式導(dǎo)航、分布式通信，以及編隊飛行光學(xué)遙感和測量等。例如，NASA設(shè)想在低地球軌道投放足夠的CubeSat，構(gòu)建一個基于互聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)服務(wù)的“第5代通信和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”衛(wèi)星星座，進(jìn)而大幅度提高移動通信服務(wù)能力[5]。

3.3 新技術(shù)技術(shù)演示驗證平臺

CubeSat是為新技術(shù)演示驗證提供了一個有效的平臺，可對微米技術(shù)，包括微機(jī)電技術(shù)（ Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、專用集成微型機(jī)械裝置、微光電機(jī)系統(tǒng)和其他微型機(jī)械裝置，以及納米技術(shù)、FPGA技術(shù)、可編程片上系統(tǒng)（SoPC）或片上系統(tǒng)（SoC）技術(shù)等進(jìn)行太空演示驗證。此外，還可以開展諸如星群間無線通信、衛(wèi)星編隊飛行、空間環(huán)境的科學(xué)測量以及生物領(lǐng)域研究等任務(wù)。例如，進(jìn)行編隊飛行技術(shù)演示驗證的“加拿大先進(jìn)納太空實驗”衛(wèi)星系列、用于測試微生物對太空微重力和輻射環(huán)境的適應(yīng)能力和有機(jī)分子在太空的穩(wěn)定性的O/OREOS生物立方星實驗[6]。

4 結(jié)語

CubeSat因其具有體積小、成本低、功能擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點，必將在未來得到更為廣泛的應(yīng)用。在此，本文淺談CubeSat的未來發(fā)展方向。

4.1 工程標(biāo)準(zhǔn)化

推動接口標(biāo)準(zhǔn)化，實現(xiàn)模塊組合、標(biāo)準(zhǔn)封裝、標(biāo)準(zhǔn)運載、流水線集成，從而規(guī)范社會生產(chǎn)活動，規(guī)范市場行為，引領(lǐng)CubeSat領(lǐng)域建立更完善的秩序，促進(jìn)CubeSat在技術(shù)上的相互協(xié)調(diào)和配合。

4.2 應(yīng)用市場化

降低技術(shù)、工藝、材料門檻，實現(xiàn)商用現(xiàn)成產(chǎn)品（Commercial Off-The-Shelf，COTS），提高CubeSat商用價值，為其注入新的生命力。

4.3 組件微型化

發(fā)展微電子芯片技術(shù)，微衛(wèi)星星元技術(shù)，降低體積、質(zhì)量對CubeSat功能的限制。

立方體衛(wèi)星CubeSat的發(fā)展已到了一個快速時期，未來將有更多的CubeSat投入到應(yīng)用之中。盡管CubeSat目前存在著載荷能力有限、壽命短等不足，但CubeSat仍將逐漸成為世界航天活動高速發(fā)展的主要驅(qū)動力和重要發(fā)展領(lǐng)域，孕育著未來航天發(fā)展的重大變革。

[參考文獻(xiàn)]

[1]廖文和.立方體衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2015（6）：792-797.

[2]CALPOLY.CubeSat design speci fi cation[D].California：California Polytechnic State University，2012.

[3]MARINAN A，NICHOLAS A，CAHOY K.Ad Hoc CubeSat constellations: secondary launch coverage and distribution[C].Big Sky：Aerospace Conference，2013：1-15.

[4]BEDON H，NEGRON C，LLANTOY J，et al.Preliminary internetworking simulation of the QB50 cubesat constellation[C].Bogota：Communications. 2010：1-6.

[5]蘇瑞豐，張科科，宋海偉.甚小型衛(wèi)星發(fā)展綜述[J].航天器工程，2013（6）：104-111.

[6]NATHAN E，BRAMALL，RICHARD Q，et al.The development of the Space Environment Viability of Organics (SEVO) experiment aboard the Organism/Organic Exposure to Orbital Stresses (O/OREOS) satellite[J].Planetary and Space Science，2011（7）：121-130.