CN106628254B - 一种用于电离层探测的微纳卫星 - Google Patents

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Abstract

一种用于电离层探测的微纳卫星，它是由外球壳、天线罩、天线、模块化部件即CubeSat组成；外球壳和天线罩连接构成整星的球状外壳；天线固定在外球壳上，由天线罩包络在其外部；该CubeSat由外球壳上的支撑杆固定在整星内部的中心位置；本发明是模块化和定制化部件的组合，便于生产加工，具有成本低、结构简单、通用性强、生产周期短的优点；它既能探测电离层，又能探测大气空气密度，实用性强；它采用两个全向天线对称分布，保证卫星无论处于何种姿态都能够收发信号，降低了对于姿态控制系统的要求。

Description

一种用于电离层探测的微纳卫星
技术领域
本发明提供一种用于电离层探测的微纳卫星，它涉及利用微纳卫星对电离层和能够结构进行探测的需求，属于卫星结构设计领域。
背景技术
电离层是日—地系统的重要组成，不仅保护了地球上的生物免受太阳紫外辐射和宇宙高能粒子的直接作用，而且对穿电离层传播的无线电波产生反射、散射。吸收和折射等效应。电离层与日地系统的其他区域，包括太阳、行星际介质，磁层，热层和中层之间存在着强烈的耦合相互作用。由于太阳活动引起的地球空间环境扰动和各种等离子体不稳定性过程，电离层中存在不同尺度的不规则结构并常处于扰动状态之下，对短波通讯、卫星通讯和全球定位系统的导航定位精度等产生严重影响。积极监测与研究电离层中的各种现象，从而揭示现象背后的物理机制，探索电离层对人类生存环境的影响，是空间天气研究的重要内容之一，对社会经济的发展十分重要。
电离层探测是研究电离层的重要手段，其探测的理论依据是电离层等离子体影响穿过电离层的无线电波，从而产生各种现象，包括交叉调制、多普勒频移、法拉第旋转等现象。电离层探测的主要目的是获取电离层的物理量，比如电离层电子密度、离子密度和温度等，以此研究各个物理量的时空分布特征和变化规律。
传统电离层探测手段包括测高仪、高频多普勒接收机、信标闪烁接收机以及大功率散射雷达等，这些方法存在探测区域有限、设备庞大结构复杂以及维持运转耗资甚巨等缺点。GPS的出现不仅对导航技术的发展产生了深远的意义，还给电离层研究带来了飞跃式发展。地基GPS电离层探测是在地面设置GPS接收机，接收GPS卫星传播的载波信号，再从信号中提取与电离层有关的信息。现有的传统和地基GPS电离层观测受空间区域的限制，地面观测站受地理环境的约束难以在海洋和沙漠上等区域布设台站；卫星原位测量受制于卫星运行轨道的限制，不能观测到完整的电离层区域，对此，无线电掩星技术提供全天、全球分布的电离层观测资料，并且垂直分辨率高，能够探测到轨道以下部分的电离层信息，具有其他探测手段所不具备的优势。
GPS无线电掩星探测地球大气技术最初是由斯坦福大学和JPL的科学家共同提出和发展的。1993年由UCAR(University Corporation for Atmosphere Research)、Arizona大学以及JPL联合建立了GPS/MET实验计划，利用无线电掩星技术探测地球的中性大气和电离层。GPS掩星以后的主要发展方向体现在SAC-C和CHAMP两个计划之上。SAC-C计划是一颗阿根廷和美国联合发射的载有磁力仪和多谱成像仪的卫星；CHAMP计划是一颗德国发射的用于重力和磁力成像的卫星。这两个较大的飞行器都首次携带了JPL设计的新一代掩星GPS信号接收计。SAC-C首次携带了前、后两个沿飞行速度方向的天线，因此能够观测到上升和下降事件的掩星数据。它们还携带了向下方向的天线，用于恢复从海洋表面反射的GPS信号。在卫星发射后，所有的飞行器载软件都可以从控制中心得到升级和重载。
以上所述的电离层探测方案都是采用了传统的卫星进行探测，传统卫星质量重、功耗大、成本高、结构复杂、工期长。相比于传统卫星，维纳卫星，尤其是CubeSat具有结构简单、成本低廉、易于组装成形、制造周期短的优点，可以利用多颗进行探测，发挥星座探测的优点。但是，对于大气密度的探测中，CubaSat由于自身为立方体结构，不能保证在轨运行中受到均匀的空气阻力。
综上，为了充分发挥CubeSat的优点，同时又结合电离层任务探测的特点，本发明提出了一种用于电离层探测的微纳卫星。
发明内容
(一)发明目的：本发明的目的是提供一种用于电离层探测的微纳卫星。该卫星由定制化部件外球壳、天线罩、天线和模块化部件CubeSat组成，外球壳和天线罩构成卫星的外部结构，为卫星提供外部支持和保护；天线罩采用透波材料保证天线正常收发信号；天线采用平面四臂螺旋全向天线，能够在任何姿态下收发信号；CubeSat位于整星中间，负责卫星整体的管理和运行。
(二)技术方案
本发明一种用于电离层探测的微纳卫星，是由外球壳、天线罩、天线、模块化部件即CubeSat组成；它们相互之间的关系是：外球壳和天线罩连接构成整星的球状外壳；天线固定在外球壳上，由天线罩包络在其外部；该CubeSat由外球壳上的支撑杆固定在整星内部的中心位置；
所述的外球壳由上球壳、下球壳、连接板、支撑杆四部分组成，它们的相互关系是：上球壳和下球壳共同组成整星的外部支持壳体结构，它们之间通过连接板连接；支撑杆由四个相同的杆结构组成，其中两个杆固定于上球壳的内部，另外两个杆固定于下球壳的内部，支撑杆的作用是固定该CubeSat；
该上球壳的形状构造是：上球壳外部为多面体结构，每个面都为等腰梯形，内部为空心结构，留有支撑杆和天线的安装孔位；
该下球壳的形状构造与上球壳相同；
该连接板的形状构造是：连接板共有四个，为长方体，有四个安装孔位，用来固定上下球壳；
该支撑杆的形状构造是：支撑杆为长方体杆状结构，内部有空槽，用来固定CubeSat；
该外球壳各部件的材料都为硬铝；
所述的天线罩为球壳构造，与外球壳共同组成球状结构；该天线罩是由上天线罩和下天线罩两部分组成；该上天线罩和下天线罩形状构造完全相同，都固定于外球壳上，其中上天线罩与上球壳固连，下天线罩与下球壳固连；该天线罩的材料为聚四氟乙烯；
所述的天线由上天线和下天线两部分组成，它们的相互关系是：上天线和下天线形状构造完全相同，都固定在球壳内部，其中上天线与上球壳固连，下天线与下球壳固连；该天线的形状构造是：天线为平面型四臂螺旋天线，整体为圆柱状；
所述的CubeSat为模块化部件，是整星的核心，它选用现有产品件，其形状要求为长方体结构，内部空心且放置有星载计算机、电源分系统(如蓄电池等)、GPS接收机、信号转换器等器件。
(三)优点
本发明的一种用于电离层探测的微纳卫星的优点在于：
①本发明中提出了一种新的可用于电离层探测的微纳卫星。
②本发明中提出的可用于电离层探测的微纳卫星，由球状外包络结构和CubeSat核心部件组成，是模块化和定制化部件的组合，便于生产加工。该卫星具有成本低、结构简单、通用性强、生产周期短的优点。
③本发明中提出的可用于电离层探测的微纳卫星，采用球状结构，保证卫星受到均匀的空气阻力，既能探测电离层，又能探测大气空气密度，实用性强。
④本发明中提出的可用于电离层探测的微纳卫星，采用两个全向天线对称分布，保证卫星无论处于何种姿态都能够收发信号，降低了对于姿态控制系统的要求。
附图说明
图1是本发明所述的微纳卫星的整体结构图。
图2是本发明所述的微纳卫星的内部安装图。
图3是本发明所述的微纳卫星的各部件相互关系图。
图中产品代号说明如下：
1.外球壳 1a.上球壳 1b.下球壳
1c.连接板 1d.支撑杆 2.天线罩
2a.上天线罩 2b.下天线罩 3.天线
3a.上天线 3b.下天线 4.CubeSat
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1、图2、图3，本发明一种用于电离层探测的微纳卫星，是由外球壳1、天线罩2、天线3、模块化部件即CubeSat4组成；它们相互之间的关系是：外球壳1和天线罩2连接构成整星的球状外壳；天线3固定在外球壳1上，由天线罩2包络在其外部；该CubeSat4由外球壳1上的支撑杆1d固定在整星内部的中心位置。
所述的外球壳1由上球壳1a、下球壳1b、连接板1c、支撑杆1d四部分组成，它们的相互关系是：上球壳1a和下球壳1d共同组成整星的外部支持壳体结构，它们之间通过连接板1c连接；支撑杆1d由四个相同的杆结构组成，其中两个杆固定于上球壳1a的内部，另外两个杆固定于下球壳1b的内部，支撑杆1d的作用是固定CubeSat4。上球壳1a的形状构造是：上球壳1a外部为多面体结构，每个面都为等腰梯形，可用来固定太阳电池片或贴片式星载敏感器；内部为空心结构，留有支撑杆1d和天线3的安装孔位。下球壳1b的形状构造与上球壳1a相同。连接板1c的形状构造是：连接板共有四个，为长方体，有四个安装孔位，用来固定上下球壳。支撑杆1d的形状构造是：支撑杆为长方体杆状结构，内部有空槽，用来固定CubeSat。外球壳1各部件的材料都为硬铝。
所述的天线罩2为球壳构造，与外球壳共同组成球状结构；该天线罩为球体的一部分，它是由上天线罩2a和下天线罩2b两部分组成；该上天线罩2a和下天线罩2b形状构造完全相同，都固定于外球壳1上，其中上天线罩2a与上球壳1a固连，下天线罩2b与下球壳2a固连；该天线罩2的材料为聚四氟乙烯。
所述的天线3由上天线3a和下天线3b两部分组成，它们的相互关系是：上天线3a和下天线3b形状构造完全相同，都固定在球壳内部，其中上天线3a与上球壳1a固连，下天线3b与下球壳1b固连。天线3的形状构造是：天线为平面型四臂螺旋天线，整体为圆柱状。
所述的CubeSat4为模块化部件，是整星的核心，它选用现有产品件，其形状要求为长方体结构，内部空心且放置有星载计算机、电源分系统(如蓄电池等)、GPS接收机、信号转换器等器件。

Claims (3)

1.一种用于电离层探测的微纳卫星，其特征在于：它是由外球壳、天线罩、天线、模块化部件即CubeSat组成；该外球壳和天线罩连接构成整星的球状外壳；天线固定在外球壳上，由天线罩包络在其外部；该CubeSat由外球壳上的支撑杆固定在整星内部的中心位置；
所述的外球壳由上球壳、下球壳、连接板、支撑杆四部分组成；该上球壳和下球壳共同组成整星的外部支持壳体结构，它们之间通过连接板连接；支撑杆由四个相同的杆结构组成，其中两个杆固定于上球壳的内部，另外两个杆固定于下球壳的内部，支撑杆的作用是固定该CubeSat；
该上球壳的外部为多面体结构，每个面都为等腰梯形，其内部为空心结构，留有支撑杆和天线的安装孔位；
该下球壳的形状构造与上球壳相同；
该连接板共有四个，为长方体，有四个安装孔位，用来固定上、下球壳；
该支撑杆为长方体杆状结构，内部有空槽，用来固定该CubeSat；
所述的天线罩为球壳构造，与外球壳共同组成球状结构；该天线罩是由上天线罩和下天线罩两部分组成；该上天线罩和下天线罩形状构造完全相同，都固定于外球壳上，其中上天线罩与上球壳固连，下天线罩与下球壳固连；
所述的天线由上天线和下天线两部分组成，该上天线和下天线形状构造完全相同，都固定在球壳内部，其中上天线与上球壳固连，下天线与下球壳固连；该天线为平面型四臂螺旋天线，整体为圆柱状；
所述的CubeSat为模块化部件，它选用现有产品件，其形状要求为长方体结构，内部空心且放置有星载计算机、电源分系统、GPS接收机和信号转换器。
2.根据权利要求1所述的一种用于电离层探测的微纳卫星，其特征在于：该外球壳各部件的材料为硬铝。
3.根据权利要求1所述的一种用于电离层探测的微纳卫星，其特征在于：该天线罩的材料为聚四氟乙烯。
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