现代微小卫星技术及发展趋势_詹亚锋

现代微小卫星技术及发展趋势

詹亚锋,马正新,曹志刚

(清华大学电子工程系微波与数字通信国家重点实验室,北京100084)

摘　要:　微小卫星以其独特的魅力,已经引起了人们越来越多的关注.本文结合当前微小卫星的研究现状,分析

了微小卫星的技术特点,并结合它的特点,提出了微小卫星的设计对策.最后对微小卫星的发展趋势,提出了一点看法.

关键词:　微小卫星;多功能体系;微机电;卫星组网

中图分类号:　TN927+.2 文献标识码:　A 文章编号:　0372-2112(2000)07-0102-05

Technology of Modern Micro Sa tellite and Its De velopmen t Direction

ZHAN Ya -feng ,MA Zheng -xin ,CAO Zhi -gang

(Stake Key L ab .on Micr owave &Digital Communic ations ,Elect ronic Engine ering Depar tment ,T singhua Unive rs it y ,Be ijing 100084,C hina )

Abstract :　Micro Satellite has attracted people 's interests because of its particular fascination .This paper anal yzes the technical characters of micro satellite according to its present research situation and summaries s ome des ign strategies based on its characters .At the end ,some viewpoints for development direction of micro satellite are presented .

Key words :　micro -satellite ;multifunctional structures ;MEMS (micro electronic mechanical system );satellite network

1　现代微小卫星简介

自前苏联1957年10月4日发射了第一颗人造地球卫星Sputnik 以来,卫星得到了广泛的应

用,其家族也变得越来越庞大.卫星有多种分类方法,按照星体重量的不同,可以分为如下几种(表1).

纵观这40多年的历史,可以清楚地发现卫星的发展经历了从小卫星到大型卫星又到小卫星的道路.受技术的限制,人类发射的第一颗卫星属于微小卫星的范畴,其重量

　表1　卫星的分类大卫星>1000kg 中型卫星500～1000kg

小卫星100～500kg 微小卫星10～100kg 纳卫星1～10kg 皮卫星0.1～1kg 飞卫星

<0.1kg

只有50kg ,功能也极其简单.后来随着技术的不断发展,人们的需求也日益多样化,卫星的功能也变得越来越复杂.于是它

的体积慢慢扩大,重量逐步增加,造价越来越昂贵,承担的风险也越来越大.此时人们又逐步把目光投向了小型卫星.因为小型卫星有如下一些主要特点:重量轻、体积小、成本低、研制周期短、轨道低、发射容易、生存能力强、风险小,还有一点就是它的技术含量相当高.正是由于这些特点,微小卫星已经受到了各方面特别是经费有限而技术力量雄厚的大学的广泛关注,并得到了迅速发展.国外的许多大学已经研制并发射了自己的微小卫星,如英国的Surrey 大学等.国内若干所主要大学也正在加入这一个行列.

2　微小卫星的技术特点

微小卫星虽然有许多与众不同的特点,但却是“麻雀虽小,五脏俱全”.和一般卫星类似,它包括如下几个部分:有效

载荷、控制、电源、结构、推进和测控等[1]

.在传统卫星技术的基础上,随着微机械、集成电路技术的发展,这些部分必将获得突破性进展.下面结合这几个部分讨论一下微小卫星的技术特点.2.1　有效载荷

微小卫星上的有效载荷随卫星的功能不同而有一定的差别,但都离不开通信模块.

通信模块一般包括天线和转发器.天线按功能可以分为接收天线、发射天线、遥测遥控天线和用于星际通信的专用天线等.目前转发器几乎都是采用弯管式转发器,它对上行信号是透明的,只是做了简单的低噪声放大、变频和功率放大等处理后就直接由发射天线向地面发送.如果采取星上再生处理技术,就可以大大提高系统的通信质量.所谓星上再生处理技术,就是转发器对收到的上行信号进行信道分离、解调再生、信道译码等处理,从而恢复出地面的基带信号,并根据目的地址进行星上交换,然后进行信道编码、调制、信道合成等处理,把信号调整到对应下行目的地波束的相应信道上.这样处理之后可以获得如下几点好处:通过对数字信号的解调再生、信道的编译码,避免上下行噪声积累;采用多个点波束,每一个

收稿日期:1999-07-14;修订日期:2000-02-12

基金项目:国家自然科学基金(No .69772022)资助项目

第7期2000年7月电 子 学 报ACTA ELECTRONICA SINICA Vol .28　No .7

J uly 2000

波束覆盖面积变小,使得有效全向发射功率EIRP 增大;采用多波束实现频率再用可提高频谱的利用率;星上具有交换、存

储能力使其成为空中网络控制中心,它可适应复杂的通信流量变化,有效地利用信道资源.全数字解调算法[2],以其优异的性能和简易的实现方法,特别适合于微小卫星的星上处理和软件无线电,有着广阔的应用前景.

对于某些有特殊应用的卫星,如遥感卫星,它的有效载荷主要是遥感模块.遥感模块一般指的是遥感仪器,它分为两大类:一类是被动式的,即以不同的遥感器接收来自大气圈和地物圈中物体受阳光照射后和由自身的温度或某种辐射的波而成像,如CCD 相机和微波辐射计;另一类是主动式的,它是由遥感器主动发出电波照到地物,接收反射或散射的回波而成像,如合成孔径雷达(SAR ).因此,研制性能好、体积小、重量轻的遥感仪器是微小卫星应用的一个关键问题.2.2　控制

控制部分主要分为姿态控制和热控制.

姿态控制的目的是保持卫星姿态的稳定,以避免因卫星的翻转而造成天线不能正确指向目标地点.目前大型卫星的姿态控制主要是采用双自旋稳定、三轴稳定的方法.考虑到微小卫星的重量及转动惯量比较小,可以采用重力梯度稳定、磁矩稳定、阻力稳定等无源稳定方法,并以重力梯度稳定法为主.所谓重力梯度稳定是利用卫星各部分质量在地球重力场中产生不同的重力,而且在轨道的运行中又产生不同的离心力,这两者的合力产生一个姿态稳定力矩,使卫星的最小惯性轴指向地心.一般是在卫星上安装一个重力梯度杆(参见图5),它的指向精度可达1°～2°.如果再配合其它稳定技术,如磁矩稳定,还可进一步提高精度.

热控制的目的是使星体内部的温度适宜,避免过冷或过热导致卫星上的温度敏感器件不能正常工作.由于卫星的运行轨道基本是真空,对流传热是不可能的.因此必须发展热传导率高的材料及结构、绝热性能更好的材料及结构、可在空间展开的热辐射器、薄壁及柔性热管、计算机管理的智能化有源热控器等.

图1　SCAR LET 聚光器太阳阵

2.3　电源

电源系统为整个卫星工作提供必需的能量.预计到下个世纪中叶,空间电源仍将以太阳电池阵和蓄电池为主.如何减

少电源系统的重量,降低电源系统的成本,制造新的一次能源将是我们面临的一个挑战.目前正在开发一种带太阳聚光器

的太阳电池阵技术,它的全称是“采用折射线性元器件技术的太阳聚光器件”(SCARLE T -Solar Concentrator A rray with Refractive Linear Element Technology ),设计功率可达2.6k W .与同样功率的无聚光器太阳阵相比,其重量减轻50%,尺寸缩小30%,成本降低50%.此外,这种太阳阵具有较高的抗辐射能力,可减轻为抗辐射加固所增加的重量.它采用Fresnel 线性凹面聚光器(如图1所示),使太阳光聚集,以减少所需的太阳电池面积,从而减少电源的重量.另外作为二次能源的蓄电池中的锂蓄电池与常用的镉镍、氢镍蓄电池相比,具有能量高、电池电压高、储能效率高、自放电率低和成体低等优点,有利于减轻电源系统的重量和体积,提高可靠性,延长工作寿命,也广为人们看好.表2列出了NASA “新盛世”计划中采用的锂离子蓄电池的一些主要性能参数.

表2　锂蓄电池参数举例电压28±5V 容量10Ah 充放电寿命>1000次工作温度0～30℃工作寿命>10年能量比重量>100Wh /kg 体积比能量

>160Wh /L 重量

3.1kg

2.4　推进

在空间推进系统中,至今广泛采用的仍是化学推进系统,如单组元肼推进或双组元推进系统.目前正在开发的小型、轻量、低成本的推进系统主要有两种:轻便型肼推进系统(COMP ———Compact Hydrazine Propulsion System )和微型脉冲等离子体推力器系统(PPT —Pulsed Plas ma Thruster ).这两种系统采用的都是模块化结构,以适应各种航天器的不同要求.2.5　结构

一方面,致力于发展和采用石墨纤维等各种轻质新型材料,采用新的结构设计及加工工艺,以便在保证所需机械强度的前提下,努力减轻重量.另一方面则是尽量使机械结构设计标准化、模块化,以适应批量生产和一种平台多种用途的要求,从而缩短研制周期、降低成本、提高可靠性.2.6　测控

测控是卫星把它的状态参数、飞行参数等重要数据传送给地面.地面分析之后,把反馈信息送给卫星,以控制卫星的轨道位置、飞行高度、飞行方向和其它的一些参数.这里要充分利用现代通信、导航定位的新技术、新成果,如GPS 定位等,以提高控制精度.

卫星上除了上面几个部分外,还有一个核心部分,就是星载计算机(OBC —On Board Computer ).它负责卫星上的所有智能化处理.随着地面计算机的迅速发展,星载计算机的能力也必将得以增强.

3　微小卫星的若干实例

目前,许多国家和地区都在发展自己的微小卫星,其中有

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