CN106628253B - 一种椎柱式模块化卫星平台架构 - Google Patents
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Abstract
一种椎柱式模块化卫星平台架构包括平台标准模块和载荷标准模块，平台标准模块包括椎柱模块、姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块，椎柱模块为椎柱式模块化卫星平台架构的机械支撑模块和平台信息流中枢，椎柱模块包括信息处理机、高速网络交换机、电源和标准接口；姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块以及载荷标准模块通过标准接口与椎柱模块固定连接和信息交流处理，椎柱模块内的电源向姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块供电。本发明的椎柱式模块化卫星平台架构通过采用椎柱式同轴性构型、交换网络式信息流、并网发电分布式能源流技术，实现了卫星的快速设计、插件式组装调试和批量化生产，促进卫星功能和性能的快速进化。
Description
技术领域
本发明涉及一种卫星平台架构，特别是一种椎柱式模块化卫星平台架构。
背景技术
第一颗卫星发射至今，卫星总体设计技术演变可以划分为三个阶段：(1)传统设计方法；(2)多任务公用平台设计方法；(3)标准化模块化设计方法；
(1)第一阶段：传统设计方法
当空间飞行任务要求和约束条件确定后，卫星的电源、姿态确定与控制、推进、结构、热控、通信、指令与数据处理、载荷等分系统都需要分别进行设计，然后经总体汇总叠加起来。每颗卫星都需要重复上述过程。这种设计方法的优点是卫星能够很好满足所承担的任务。缺点是卫星研制成本很高，研制周期很长。
(2)第二阶段：公用平台设计方法
该方法是指设计一种公用卫星平台和产品体系来实现多种有效载荷的集成。根据不同空间飞行任务需求和约束条件，在公用平台已有技术和产品体系的基础上，对卫星相关分系统进行设计。例如，洛克希德-马丁公司宣称，接收到订单后可以使用其A2100系列平台在18个月内交付卫星。但是，随着卫星应用市场繁荣和领域扩展，卫星种类和数量快速增加，用户对卫星成本和研制进度的苛求使得公用平台设计方法的局限性日益凸显。
(3)第三个阶段：模块化快速响应设计方法
模块化快速响应设计方法就是要通过一系列的软硬件标准，将传统的整体式卫星分解成为以统一接口标准设计的功能模块，以减少卫星集成和测试操作，缩短研制周期，降低成本。美国DARPA提出了ORS(作战及时响应空间)概念和空间即插即用电子设备体系结构(SPA:Space Plug and play Avionics)。目前，国外正在开展基于细胞星构建新型空间系统的研究，如美国DARPA的“凤凰计划”，德国DLR的“iBOSS”项目，英国Surrey的AAReST项目。目前，国内未见类似项目研究的报道。这方面工作，美国一直处于领先地位。而中国在这个方面的工作还尚处于起步阶段，还没有相关产品的公开报道。
发明内容
本发明的技术解决方案是：一种椎柱式模块化卫星平台架构，包括：平台标准模块和载荷标准模块，所述平台标准模块包括椎柱模块、姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块，所述椎柱模块包括信息处理机、高速网络交换机、电源和标准接口；所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块以及载荷标准模块通过所述标准接口与所述椎柱模块固定连接和信息交流处理，所述椎柱模块内的电源向所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块供电。
进一步的，所述载荷标准模块为SAR平板天线、辐射计、可见光相机、红外相机、高光谱相机或AIS/ADS模块的一种或几种。
进一步的，所述椎柱模块为1个或多个，多个椎柱模块通过所述标准接口固定连接和信息交流处理；所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和载荷标准模块通过所述标准接口固定连接在多个固定连接的椎柱模块。
进一步的，所述标准接口包括多个并联的高速标准接口和多个并联的低速标准接口，所述信息处理机与高速网络交换机为可逆电连接；每个高速标准接口可逆串联对应的信号处理器后与所述高速网络交换机可逆电连接；每个低速标准接口通过集线器与所述高速网络交换机可逆电连接。
进一步的，通过天线高速发射、接收数据的发射/接收机与所述高速标准接口连接，卫星平台测量控制模块与所述低速标准接口连接。
进一步的，所述高速标准接口的数字信号传输速度为400M-3G/s，所述低速标准接口的数字信号传输速度为1M-100M/s。
进一步的，所述通过天线高速发射、接收的数据包括用户链路中的数据和/或数传链路中的数据和/或测控链路中的数据。
进一步的，所述卫星平台测量控制模块包括通过测量装置所测量的卫星姿态信息以控制卫星姿态的卫星姿态测量控制模块、通过测量蓄电池电压控制蓄电池充放电的蓄电池充放电测量控制模块和通过温度传感器测量模块温度以控制模块的模块加热装置以调节模块温度的温度测量控制模块。
进一步的，所述椎柱式模块化卫星平台架构包括多个椎柱模块和多个太阳帆板模块，所述多个椎柱模块通过所述标准接口固定连接，所述多个太阳帆板模块通过所述标准接口与多个固定连接的椎柱模块固定连接；每个椎柱模块内设置有子能源管理器、蓄电池组和配电器，所述子能源管理器控制蓄电池组的充放电，所述蓄电池组通过配电器向所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块供电；每个太阳帆板模块设置有控制盒，所述控制盒内设置有总能源控制器和分流调节器，所述多个太阳帆板模块中的某一个总能源控制器作为主要总能源控制器，所有子能源管理器通过所述主要总能源控制器的控制，控制对应蓄电池组的充放电量，其余总能源控制器作为备用总能源控制器。
进一步的，所述椎柱模块内的配电器向所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块提供一次电源，所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块所需的二次电源由所述姿轨控模块、通信模块、太阳帆板模块和/或载荷标准模块内部的DC/DC模块变换产生。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的椎柱式模块化卫星平台架构，平台标准模块和载荷标准模块都具有标准接口，在进行空间任务设计时，可以通过选择和配置各种模块进行卫星系统设计，满足了系统快速设计的要求；
(2)本发明的椎柱式模块化卫星平台架构，卫星结构布局保证模块均布置在星表，模块接口实现标准化，满足总装集成的方便性和快速性要求；
(3)本发明的椎柱式模块化卫星平台架构，采用交换式网络实现模块的即插即用，满足集成和测试的简便性要求；
(4)本发明的椎柱式模块化卫星平台架构，采用分布式并网发电技术，满足平台可扩展性要求。
附图说明
图1为本发明椎柱式模块化卫星平台架构的结构示意图；
图2为本发明椎柱式模块化卫星平台架构信息交流架构示意图；
图3为本发明椎柱式模块化卫星平台架构电子系统结构示意图；
图4为本发明椎柱式模块化卫星平台架构分布式能源流架构示意图。
具体实施方式
如图1-4所示，一种椎柱式模块化卫星平台架构，包括：平台标准模块和载荷标准模块5，所述平台标准模块包括椎柱模块1、姿轨控模块2、通信模块3、多个太阳帆板模块4；所述椎柱模块1具有星上处理与控制、信息交换、电源、结构支撑和标准接口的功能，所述椎柱模块系列包括多种尺寸的模块，但是每种椎柱模块内部的组成和功能基本一致；所述姿轨控模块2由多种类型模块组成，具有姿态测量、姿态轨道控制、GNSS接收机、推进的功能；所述通信模块3由多种类模块组成，具有测控通信、星间链路、中继通信的功能；所述太阳帆板模块4由多种太阳帆板尺寸的模块组成，具有发电、功率调节、帆板驱动、分布式能源管理的功能；所述载荷标准模块5为SAR平板天线、辐射计、可见光相机、红外相机、高光谱相机和AIS/ADS模块的一种或多种；多个椎柱模块1通过所述标准接口6固定连接和信息交流处理，多个固定连接的椎柱模块是所述椎柱式模块化卫星平台架构的机械支撑模块和平台信息流中枢，所述椎柱模块1包括信息处理机、高速网络交换机、电源和标准接口6；所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和载荷标准模块5通过所述标准接口6固定连接在多个固定连接的椎柱模块并进行信息交流处理，所述标准接口6包括多个并联的高速标准接口和多个并联的低速标准接口，所述高速标准接口的数字信号传输速度为400M-3G/s，所述高速标准接口的主要作用是中频信号的A/D和D/A转换，所述低速标准接口的数字信号传输速度为1M-100M/s；所述信息处理机与高速网络交换机为可逆电连接；每个高速标准接口可逆串联对应的信号处理器后与所述高速网络交换机可逆电连接；每个低速标准接口通过集线器与所述高速网络交换机可逆电连接；通过天线高速发射、接收数据的发射/接收机与所述高速标准接口连接，卫星姿态测量控制模块、充放电测量控制模块和温度测量控制模块与所述低速标准接口连接，所述卫星姿态测量控制模块通过太阳敏感器、星敏感器和陀螺测量的卫星姿态信息控制卫星的磁力矩器和动量轮以实现卫星姿态；所述蓄电池充放电测量控制模块测量蓄电池电压、一次电源母线控制蓄电池的充放电；所述温度测量控制模块通过温度传感器测量模块自身的温度，控制每个模块的加热片加热，以实现每个模块的温度调节；用于星上与用户终端数据传输的用户链路的数据、用于卫星与地面数传站数据传输的数传链路的数据和地面测控站与卫星的测控数据传输的测控链路的数据分别通过不同的发射/接收机与不同的高速标准接口连接；所述椎柱模块1内的电源向所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和/或载荷标准模块5供电，平台能源流采用分布式架构来实现，每个椎柱模块1内设置有子能源管理器、蓄电池组和配电器，所述子能源管理器控制蓄电池组的充放电，所述蓄电池组通过配电器向所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和/或载荷标准模块5供电；每个太阳帆板模块4设置有控制盒，所述控制盒内设置有总能源控制器和分流调节器，所述多个太阳帆板模块4中的总能源控制器1作为主要总能源控制器，所有子能源管理器通过所述主要总能源控制器的控制，控制对应蓄电池组的充放电量，从而实现并网发电，其余总能源控制器作为备用总能源控制器，当总能源控制器1发生故障时，备用总能源控制器中的一个作为总能源控制器，所述椎柱模块1内的配电器向所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和/或载荷标准模块5提供一次电源，所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和/或载荷标准模块5所需的二次电源由所述姿轨控模块2、通信模块3、太阳帆板模块4和/或载荷标准模块5内部的DC/DC模块变换产生。
本发明说明书中未详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (9)
1.一种椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：包括平台标准模块和载荷标准模块(5)，所述平台标准模块包括椎柱模块(1)、姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)，所述椎柱模块(1)包括信息处理机、高速网络交换机、电源和标准接口(6)；所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)以及载荷标准模块(5)通过所述标准接口(6)与所述椎柱模块(1)固定连接和信息交流处理，所述椎柱模块(1)内的电源向所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和/或载荷标准模块(5)供电；
所述椎柱模块(1)和太阳帆板模块(4)均为多个，所述多个椎柱模块(1)通过所述标准接口(6)固定连接，所述多个太阳帆板模块(4)通过所述标准接口(6)与多个固定连接的椎柱模块固定连接；每个椎柱模块(1)内设置有子能源管理器、蓄电池组和配电器，所述子能源管理器控制蓄电池组的充放电，所述蓄电池组通过配电器向所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和/或载荷标准模块(5)供电；每个太阳帆板模块(4)设置有控制盒，所述控制盒内设置有总能源控制器和分流调节器，所述多个太阳帆板模块(4)中的某一个总能源控制器作为主要总能源控制器，所有子能源管理器通过所述主要总能源控制器的控制，控制对应蓄电池组的充放电量，其余总能源控制器作为备用总能源控制器。
2.根据权利要求1所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述载荷标准模块(5)为SAR平板天线、辐射计、可见光相机、红外相机、高光谱相机或AIS/ADS模块的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述椎柱模块(1)为多个，多个椎柱模块(1)通过所述标准接口(6)固定连接和信息交流处理；所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和载荷标准模块(5)通过所述标准接口(6)固定连接在多个固定连接的椎柱模块。
4.根据权利要求1所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述标准接口(6)包括多个并联的高速标准接口和多个并联的低速标准接口，所述信息处理机与高速网络交换机为可逆电连接；每个高速标准接口可逆串联对应的信号处理器后与所述高速网络交换机可逆电连接；每个低速标准接口通过集线器与所述高速网络交换机可逆电连接。
5.根据权利要求4所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：通过天线高速发射、接收数据的发射/接收机与所述高速标准接口连接，卫星平台测量控制模块与所述低速标准接口连接。
6.根据权利要求4所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述高速标准接口的数字信号传输速度为400M-3G/s，所述低速标准接口的数字信号传输速度为1M-100M/s。
7.根据权利要求5所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述通过天线高速发射、接收的数据包括用户链路中的数据和/或数传链路中的数据和/或测控链路中的数据。
8.根据权利要求5所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述卫星平台测量控制模块包括通过测量装置所测量的卫星姿态信息以控制卫星姿态的卫星姿态测量控制模块、通过测量蓄电池电压控制蓄电池充放电的蓄电池充放电测量控制模块和通过温度传感器测量模块温度以控制模块的模块加热装置以调节模块温度的温度测量控制模块。
9.根据权利要求1所述的椎柱式模块化卫星平台架构，其特征在于：所述椎柱模块(1)内的配电器向所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和/或载荷标准模块(5)提供一次电源，所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和/或载荷标准模块(5)所需的二次电源由所述姿轨控模块(2)、通信模块(3)、太阳帆板模块(4)和/或载荷标准模块(5)内部的DC/DC模块变换产生。
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