CN107323685A - 敏捷sar小卫星及其总体设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种敏捷SAR小卫星及其总体设计方法，该卫星包括太阳电池阵、卫星本体、载荷专用顶板、反作用飞轮、冷气贮存箱，太阳电池阵位于卫星本体的上方，卫星本体位于载荷专用顶板的上方，太阳电池阵位于载荷专用顶板的上方，反作用飞轮位于冷气贮存箱的一侧，冷气贮存箱位于太阳电池阵的下方，反作用飞轮位于载荷专用顶板的上方。本发明大大降低了星载SAR系统的重量和体积，具有强轨道适应能力、高敏捷机动、高精度跟踪能力、研制周期短、成本低、发射灵活、启用速度快、性能高的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种宇航飞行器及其总体设计方法，具体地，涉及一种敏捷SAR小卫星及其总体设计方法。
背景技术
卫星平台的敏捷机动控制能力对遥感卫星具有重要的作用和意义，利用姿态的机动能力，载荷的观测效率可以得到大幅提高，载荷可以制定灵活多变的工作模式，载荷可以实现多目标观测，满足各种观测任务的需求。
一方面，敏捷卫星平台作为一种新型卫星平台，将有效载荷固连在卫星上，依靠姿控系统控制卫星整体沿俯仰、翻滚、偏航三个轴向摆动实现对地观测，观测方式上更加灵活，具有广泛的应用前景，具备此功能后，卫星具备对多点目标实施观测，使得卫星在面对重大灾情问题时，可保障观测的完整性、及时性需求，可在最短的时间内获取所有关联目标的信息，最快地获取该地区的图像，最快地生成相关事件相关的信息。
另一方面，利用敏捷平台的敏捷机动能力，敏捷SAR(合成孔径雷达)卫星可以采用重量更轻、成本更低的抛物面体制SAR(合成孔径雷达)载荷，以滑动聚束模式实现高分辨率成像，为卫星的高敏捷度和低成本发射奠定基础；另一方面，通过卫星的高精度快速姿态机动，还可以提高卫星的覆盖性能，相比于单侧视工作的SAR(合成孔径雷达)卫星，距离向大角度摆动工作的敏捷SAR(合成孔径雷达)卫星的覆盖性能提高了近一倍，同时通过卫星的敏捷机动，卫星还可以以不同的视角观测，获取被观测区域的更多维信息量，增强载荷的目标识别能力。
但是，传统的大卫星在技术上不能降低了星载SAR(合成孔径雷达)系统的重量和体积，不具备强轨道适应能力、高敏捷机动和高精度跟踪能力，研制周期长、成本高、发射不灵活、启用速度慢和性能低，所以急需发展SAR(合成孔径雷达)系统技术，使SAR(合成孔径雷达)小卫星系统的研制成为可能。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种敏捷SAR小卫星及其总体设计方法，其大大降低了星载SAR(合成孔径雷达)系统的重量和体积，具有强轨道适应能力、高敏捷机动、高精度跟踪能力、研制周期短、成本低、发射灵活、启用速度快、性能高的特点。
根据本发明的一个方面，提供一种敏捷SAR小卫星，其特征在于，其包括太阳电池阵、卫星本体、载荷专用顶板、反作用飞轮、冷气贮存箱，太阳电池阵位于卫星本体的上方，卫星本体位于载荷专用顶板的上方，太阳电池阵位于载荷专用顶板的上方，反作用飞轮位于冷气贮存箱的一侧，冷气贮存箱位于太阳电池阵的下方，反作用飞轮位于载荷专用顶板的上方。
优选地，所述载荷专用顶板的形状为长方形。
优选地，所述太阳电池阵的形状为长方形。
本发明还提供一种敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，卫星采用太阳阵长期对日定向的姿态控制模式设计，只在任务需求时才进行短时间的姿态控制，将姿态摆动到任务目标位置，完成后恢复对日定向姿态；
步骤二，充分利用和发挥卫星的姿态机动能力，将卫星本体作为整星的伺服机构，大幅简化卫星设计，降低卫星重量、体积和研制成本；
步骤三，采用反作用飞轮实现卫星的敏捷机动；
步骤四，卫星仅装载少量液氨，以实现轨道维持能力；
步骤五，卫星采用专用载荷顶板设计。
优选地，所述姿态控制模式的设计使得卫星无需硬件更改适应各种轨道和降交点地方时，实现卫星的灵活组网，大大丰富了卫星的组网策略。
优选地，所述步骤二的具体步骤为首先，对于SAR载荷利用姿态的机动与跟踪能力，天线在距离向、方位向的扫描能力要求大大弱化，特别是在方位向上，直接利用姿态跟踪扫描实现高分辨率滑动聚束成像，此外对于太阳阵、数传、中继系统而言，也不再需要设计专用的驱动机构，各个系统的配套都将得到大幅简化，带来的另一个好处是整星在轨运行期间的所有动作均由一台计算机进行统一的计算、分配和规划，更容易实现星上自主任务规划，简化地面操作人员难度，并提升卫星工作效率。
优选地，所述采用反作用飞轮实现卫星的敏捷机动相比于控制力矩陀螺来讲，由于敏捷SAR卫星进行了卫星轻量化设计，重量一般控制在五百千克以内，反作用飞轮驱动下的机动时间已足够满足要求，更重要的是对于需要高分辨率成像的敏捷SAR卫星来说，由于成对使用的控制力矩陀螺的叠加动量误差较大，成像过程中卫星平台的稳定性难以保证，将影响成像质量，而反作用飞轮配置机动完成后卫星姿态角速度较小，满足高分辨率成像模式下对姿态的高精度高稳定度要求，在重量、功耗上都具有非常大的比较优势。
优选地，所述卫星采用专用载荷顶板设计，采用平台载荷相互独立的装配体系，使得并行研制得以实现，专用载荷板单独装配、集成和测试，再与平台实现快速对接和测试，有利于缩短研制周期。
优选地，所述卫星仅装载少量液氨，仅用于寿命期间的轨道维持，无姿态控制功能，对于敏捷SAR卫星来说，卫星的快速研制、发射及在轨道应用是第一位的，设计的推进系统应尽量简化，采用的工质应满足快速发射需求，此时结合卫星在轨运行高度，装载满足寿命期间轨道高度下降调整所需的几公斤工质。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明大大降低了星载SAR(合成孔径雷达)系统的重量和体积，具有强轨道适应能力、高敏捷机动、高精度跟踪能力、研制周期短、成本低、发射灵活、启用速度快、性能高的特点。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的敏捷SAR小卫星的结构示意图。
图2为本发明的流程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明敏捷SAR小卫星包括太阳电池阵1、卫星本体2、载荷专用顶板3、反作用飞轮4、冷气贮存箱5，太阳电池阵1位于卫星本体2的上方，卫星本体2位于载荷专用顶板3的上方，太阳电池阵1位于载荷专用顶板3的上方，反作用飞轮4位于冷气贮存箱5的一侧，冷气贮存箱5位于太阳电池阵1的下方，反作用飞轮4位于载荷专用顶板3的上方。
载荷专用顶板的形状为长方形，这样结构简单。
太阳电池阵的形状为长方形，这样提供充足的电能。
如图2所示，本发明敏捷SAR小卫星的总体设计方法包括以下步骤：
步骤一，卫星采用太阳阵长期对日定向的姿态控制模式设计，只在任务需求时才进行短时间的姿态控制，将姿态摆动到任务目标位置，完成后恢复对日定向姿态，此种姿态设计模式，卫星无需硬件更改就适应各种轨道和降交点地方时，就可实现卫星的灵活组网，大大丰富了卫星的组网策略；
步骤二，充分利用和发挥卫星的姿态机动能力，将卫星本体作为整星的伺服机构，可大幅简化卫星设计，降低卫星重量、体积和研制成本，首先，对于SAR载荷利用姿态的机动与跟踪能力，天线在距离向、方位向的扫描能力要求大大弱化，特别是在方位向上，可以直接利用姿态跟踪扫描实现高分辨率滑动聚束成像；此外，对于太阳阵、数传、中继系统而言，也不再需要设计专用的驱动机构，各个系统的配套都将得到大幅简化，此种设计带来的另一个好处是整星在轨运行期间的所有动作均可由一台计算机进行统一的计算、分配和规划，更容易实现星上自主任务规划，简化地面操作人员难度，并提升卫星工作效率；
步骤三，采用反作用飞轮实现卫星的敏捷机动，相比于控制力矩陀螺来讲，由于敏捷SAR卫星进行了卫星轻量化设计，重量一般可控制在500kg以内，反作用飞轮驱动下的机动时间已足够可以满足要求，更重要的是，对于需要高分辨率成像的敏捷SAR卫星来说，由于成对使用的控制力矩陀螺的叠加动量误差较大，成像过程中卫星平台的稳定性难以保证，将影响成像质量，而反作用飞轮配置机动完成后卫星姿态角速度较小，满足高分辨率成像模式下对姿态的高精度高稳定度要求，且在重量、功耗上都具有非常大的比较优势；
步骤四，卫星仅装载少量液氨，以实现轨道维持能力，仅用于寿命期间的轨道维持，无姿态控制功能，对于敏捷SAR(合成孔径雷达)卫星来说，卫星的快速研制、发射及在轨道应用是第一位的，设计的推进系统应尽量简化，采用的工质应满足快速发射需求，此时结合卫星在轨运行高度，装载满足寿命期间轨道高度下降调整所需的几公斤工质；
步骤五，采用专用载荷顶板设计，卫星采用平台载荷相互独立的装配体系，使得并行研制得以实现，专用载荷板可以单独装配、集成和测试，之后再与平台实现快速对接和测试，非常有利于缩短研制周期。
实施例
本实施例涉及一种敏捷SAR(合成孔径雷达)小卫星的装置，其利用反作用飞轮驱动卫星本体，根据任务需要进行姿态机动，平时将装载在对天面上的固定太阳电池阵对日定向，保证整星能源；有对地观测任务时，将安装在载荷专用顶板上的SAR天线(合成孔径雷达)姿态机动到目标位置并进行跟踪，完成后恢复对日定向模式；对于对地数据传输、对中继数据传输任务，均采用类似的控制模式予以实现。
本实施例敏捷SAR小卫星任务过程中的姿态控制模式切换，根据任务过程，姿控系统至少设计三种模式：对日定向模式(Mod1)、侧视控制模式(Mod2)、目标跟踪模式(Mod3)，对日定向模式又包括粗对日模式和精确对日定向模式，粗对日模式卫星可以根据太阳敏感器信息，从任意姿态条件下到对日定向状态，保证卫星平台的能源需求；精确对日定向模式，卫星利用星敏和陀螺信息，实现对日定向的同时并三轴姿态稳定；侧视控制模式能够从对日状态建立对地三轴稳定控制(含二维导引)，并能够从一种侧视姿态机动到另一种侧视姿态；目标跟踪控制根据给定目标信息，能够从对日状态或侧视控制模式机动到跟踪目标状态，满足载荷的传输信息或采集信息姿态需求。
与传统的大卫星相比，本发明具有以下的优点：
一，强轨道适应能力
轨道是卫星总体方案设计的基础，通常卫星的能源、热控系统均需结合特定的轨道倾角、特定的降交点地方时而有针对性地开展设计，在面临卫星轨道更改、卫星组网等任务需求时，开展大量的技术状态更改论证甚至再设计工作，可以满足现代航天特别是对有组网任务需求的卫星研制需求；
二，高敏捷机动、高精度跟踪能力
对于很多应用场合，特别是应急减灾等任务，卫星完成任务的能力、效率要求很高，由此卫星具备高敏捷机动能力，通过卫星的高精度快速姿态机动能力，丰富了SAR(合成孔径雷达)卫星的工作模式，提高了卫星的覆盖性能，提高了卫星完成任务的效率，增强了卫星获取信息的能力，提升了卫星的工作效能；
三，重量轻、体积小
卫星重量轻、体积小是卫星高敏捷机动、低成本和快制造的基础，为卫星在一体化设计、备份设计等方面提出新的思路；
四，研制周期短、成本低、发射灵活、启用速度快
敏捷SAR(合成孔径雷达)小卫星一般利用多颗卫星组成星座，通过协同完成特定任务，在需要时能够针对在轨失效卫星进行快速有效的补充，卫星具备批量生产的条件，卫星在研制的周期、成本、发射方式、启用速度等均成为制约快速构建成本可控的实用系统的关键。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种敏捷SAR小卫星，其特征在于，其包括太阳电池阵、卫星本体、载荷专用顶板、反作用飞轮、冷气贮存箱，太阳电池阵位于卫星本体的上方，卫星本体位于载荷专用顶板的上方，太阳电池阵位于载荷专用顶板的上方，反作用飞轮位于冷气贮存箱的一侧，冷气贮存箱位于太阳电池阵的下方，反作用飞轮位于载荷专用顶板的上方。
2.根据权利要求1所述的敏捷SAR小卫星，其特征在于，所述载荷专用顶板的形状为长方形。
3.根据权利要求1所述的敏捷SAR小卫星，其特征在于，所述太阳电池阵的形状为长方形。
4.一种敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，卫星采用太阳阵长期对日定向的姿态控制模式设计，只在任务需求时才进行短时间的姿态控制，将姿态摆动到任务目标位置，完成后恢复对日定向姿态；
步骤二，充分利用和发挥卫星的姿态机动能力，将卫星本体作为整星的伺服机构，大幅简化卫星设计，降低卫星重量、体积和研制成本；
步骤三，采用反作用飞轮实现卫星的敏捷机动；
步骤四，卫星仅装载少量液氨，以实现轨道维持能力；
步骤五，卫星采用专用载荷顶板设计。
5.根据权利要求4所述的敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，所述姿态控制模式的设计使得卫星无需硬件更改适应各种轨道和降交点地方时，实现卫星的灵活组网，大大丰富了卫星的组网策略。
6.根据权利要求4所述的敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，所述步骤二的具体步骤为首先对于SAR载荷利用姿态的机动与跟踪能力，天线在距离向、方位向的扫描能力要求大大弱化，特别是在方位向上，直接利用姿态跟踪扫描实现高分辨率滑动聚束成像，此外对于太阳阵、数传、中继系统而言，也不再需要设计专用的驱动机构，各个系统的配套都将得到大幅简化，带来的另一个好处是整星在轨运行期间的所有动作均由一台计算机进行统一的计算、分配和规划，更容易实现星上自主任务规划，简化地面操作人员难度，并提升卫星工作效率。
7.根据权利要求4所述的敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，所述采用反作用飞轮实现卫星的敏捷机动相比于控制力矩陀螺来讲，由于敏捷SAR卫星进行了卫星轻量化设计，重量一般控制在五百千克以内，反作用飞轮驱动下的机动时间已足够满足要求，更重要的是对于需要高分辨率成像的敏捷SAR卫星来说，由于成对使用的控制力矩陀螺的叠加动量误差较大，成像过程中卫星平台的稳定性难以保证，将影响成像质量，而反作用飞轮配置机动完成后卫星姿态角速度较小，满足高分辨率成像模式下对姿态的高精度高稳定度要求，在重量、功耗上都具有非常大的比较优势。
8.根据权利要求4所述的敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，所述卫星采用专用载荷顶板设计，采用平台载荷相互独立的装配体系，使得并行研制得以实现，专用载荷板单独装配、集成和测试，再与平台实现快速对接和测试，有利于缩短研制周期。
9.根据权利要求4所述的敏捷SAR小卫星的总体设计方法，其特征在于，所述卫星仅装载少量液氨，仅用于寿命期间的轨道维持，无姿态控制功能，对于敏捷SAR卫星来说，卫星的快速研制、发射及在轨道应用是第一位的，设计的推进系统应尽量简化，采用的工质应满足快速发射需求，此时结合卫星在轨运行高度，装载满足寿命期间轨道高度下降调整所需的几公斤工质。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20171107 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |