CN110675718B - 可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件及其演示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件及其演示方法，套件包括一单元卫星本体、地面演示终端及实现两者交互的Lora无线通信模块。演示终端发送上行控制指令，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回数据信息；用户通过相应上行指令调整更改卫星运行情况、获取卫星采集到的数据信息。本发明能实现对标准立方星的功能测试，包括气压测量、通信、定位、图像获取、卫星的姿态测量及调整等，也可用于卫星的设计装配、集成与测试，软件编程、硬件系统开发和卫星地面测控，适用于对各种层次的人员培训和针对立方星进行学习以及调试时使用。本发明具有结构紧凑、系统完整、演示功能全面和直观等优势，可适用于航天工程专业教育。

Description

可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件及其演示方法

技术领域

本发明涉及卫星技术及航天工程教育领域，特别涉及一种可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件及其演示方法。

背景技术

近年来，随着计算机、新材料、微电子机械、高密度能源以及空间推进技术的迅速发展，人们在要求降低卫星成本、减小风险的同时，迫切需要减少卫星开发周期，而且针对单一任务的专用卫星以及卫星组网，更需要投资小、见效快的卫星技术。立方星以一种全新的概念、崭新的设计思想成为航天领域中最具活力的研究方向，其标准尺寸为10×10×10cm的纳卫星，根据需要可扩展为2单元、3单元甚至6单元以携带更多科学载荷。它具有功能扩展性好、组网快、使用方便灵活等优点，而且其任务完成的效率高，适应性强，非常适合应用于分布式空间系统，包括星座、空间网络和编队飞行等。立方星现已成功应用于对地观测、通信、空间科学探测和新技术试验等领域，逐渐成为空间系统的一个重要组成部分。

立方星的广泛应用促进各界人员对航天专业知识的学习，然而在实际的卫星教育中，由于立方星造价昂贵，很多知识只能停留在理论层面，无法进行深刻的实践演练。而且近几年出现的卫星教育产品仅仅局限于进行简单的理论框架模型的构建和教学演示，无法完全模拟卫星在轨真实飞行状态，更无法满足专业学习人员对立方星设计，制造，验证和操作的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于学习立方星标准结构和系统功能的设计、制造、操作和测试的教育套件，适用于对各种层次的人员进行培训以及学习人员的学习调试使用。

实现本发明目的的技术解决方案为：可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，包括一单元卫星本体、Lora无线通信模块和地面演示终端；

所述一单元卫星本体包括典型的航天器子系统，为立方框架结构，框架内设置：星务计算机主控模块，用于接收地面演示终端传来的指令，对一单元卫星本体执行相应的操作，并处理采集到的卫星数据；姿态信息采集模块，用于采集一单元卫星本体的姿态信息；姿态控制模块，用于控制一单元卫星本体的姿态；GPS定位模块，用于采集一单元卫星本体的位置信息；载荷模块，用于模拟卫星太空拍照；电源模块，用于为其他模块供电；自上电模块，用于控制所述电源模块为立方星上电；

Lora无线通信模块，用于实现一单元卫星本体与地面演示终端的信息交互。

进一步地，所述自上电模块包括气压计单元、数据处理控制单元、开关电路单元；

气压计单元，用于采集一单元卫星本体所处环境的气压和温度，并将采集的信息传输至星务计算机主控模块和数据处理控制单元；

数据处理控制单元，用于处理气压计单元采集的气压值，并根据气压值输出使能信号以控制开关电路单元工作；

开关电路单元，用于控制所述电源模块为立方星上电；

所述自上电模块的上电过程包括：

1)由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P1；

2)延迟时长t后，由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P2；

3)计算P1与P2差值的绝对值ξ，并判断ξ与预设的气压变化阈值e的大小关系，若ξ＜e，则延迟时长t后，由数据处理控制单元采集新的气压值并记为气压值P2，将原来的气压值P2记为气压值P1，且令N＝0，之后重复本步骤；反之，令N递增1，并将气压值P2记为气压值P1，执行4)；

4)判断N与次数阈值n的关系，若N大于等于n，则数据处理控制单元输出使能信号使开关电路单元工作，母线电压通过电源模块的输入端供给电源模块为一单元卫星本体上电，且数据处理控制单元待机，开关电路单元的使能信号通过电源模块的输出端提供，在此过程中若一单元卫星本体意外断电，返回执行上述1)，重新为一单元卫星本体上电；反之返回上述2)。

进一步地，所述气压计单元包括两个气压计，其中两个气压计为主备关系，当主气压计工作异常时由备气压计继续工作；

所述数据处理控制单元包括微处理器；

所述开关电路单元包括第一P通道MOS管、第二P通道MOS管、N通道MOS管、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第二电容；所述两个P通道MOS管的S极均连接蓄电池的正极即母线电压，两个P通道MOS管的G极均连接N通道MOS管的D极，两个P通道MOS管的D极均连接电源模块的输入端以及第一电容的一端，第一电容的另一端接地；第二P通道MOS管的S极和G极之间连接第一电阻；N通道MOS管的G极与第二电阻的一端、第三电阻的一端相连，第三电阻的另一端接地，第二电阻的另一端与数据处理控制单元的输出端、第四电阻的一端相连，第四电阻的另一端与第二电容的一端、二极管的负极相连，第二电容的另一端接地，二极管的正极与电源模块的输出端相连。

进一步地，所述电源模块包括太阳能电池阵、蓄电池组、AD转换模块和能源控制模块；太阳能电池阵、蓄电池组均用于为一单元卫星本体供电；AD转换模块用于将电流、电压以及温度信息通过SPI总线传输至星务计算机主控模块，之后由星务计算机主控模块判断是否出现蓄电池组过充、母线过压状态；其中，能源控制模块包括功率调节单元、分流单元以及欠压锁存单元；功率调节单元串联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，用于实现对太阳能最大功率点的追踪；分流单元并联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，实现对蓄电池组的过充保护以及母线过压保护；欠压锁存单元，用于在一单元卫星本体电量降到预设低阈值时切断母线，以使一单元卫星本体断电；

所述姿态信息采集模块包括六轴传感器与磁强计敏感器；六轴传感器用于测量一单元卫星本体的姿态数据并传输至星务计算机主控模块进行处理，磁强计敏感器用于测量一单元卫星本体坐标系下的磁场强度和方向；

所述姿态控制模块包括动量轮模块及两个磁矩棒；星务计算机主控模块将六轴传感器传回的卫星姿态通过Lora无线通信模块下行数据给地面演示终端，地面演示终端根据卫星当前的姿态数据，通过Lora无线通信模块上行指令给星务计算机主控模块，星务计算机主控模块控制动量轮模块及两个磁矩棒实施具体指令模拟卫星姿态调整的过程；

所述载荷模块包括相机模块和Micro SD卡内存存储模块，相机模块拍摄照片并将图片自动发送存储至Micro SD卡内存存储模块；

所述Lora无线通信模块包括外围电路单元与Lora无线通信模块内部电路单元；所述外围电路单元包括电压转换单元、复位单元、收发器单元、时钟单元、滤波单元、第一LED指示灯单元和第二LED指示灯单元；电压转换单元用于转换电压后给Lora无线通信模块供电；复位单元用于对Lora无线通信模块进行复位重启；收发器单元用于实现Lora无线通信模块数据接收；第一LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行信息收发时进行闪烁；第二LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行复位时亮起；所述Lora通信模块内部电路单元包括电源单元、复位时钟单元、射频单元和外部接口单元；电源单元用于保证供电的稳定性；外部接口单元用于引出内部芯片IO引脚。

基于上述可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，包括以下内容：

地面演示终端通过Lora无线通信模块与一单元卫星本体建立数据线路连接，进行无线通信；

地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，之后由地面演示终端对数据进行解析；

用户结合返回的数据信息，根据实际需求通过相应上行指令调整更改卫星运行情况、获取卫星采集到的数据信息。

进一步地，所述上行控制指令包括无参指令和有参指令；其中，无参指令长为5字节，包括遥测指令、GPS指令、六轴传感器指令、磁强计敏感器指令、气压计指令、拍照指令、动量轮开始与停止指令；含参指令包括更改动量轮转速指令、磁力矩器指令、下行指定相片数据指令；更改动量轮转速指令的参数内容是调整动量轮转速的具体数值；磁力矩器指令的参数内容是磁力矩大小；下行指定相片数据的参数内容是所要求下行相片的代号；定向指令的参数包括卫星转动到的角度。

进一步地，所述地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，包括：

卫星收到遥测指令，将执行下行星上状态数据，下行返回卫星星上原始数据，包括卫星光电压、光电流、母线电压、母线电流、Lora无线通信模块的电压、Lora无线通信模块的电流；

卫星收到GPS指令，由GPS定位模块采集一单元卫星本体的位置信息，下行返回GPS数据，包括一单元卫星本体的经纬度信息、轨道高度、星上UTC时间；

卫星收到六轴传感器指令，由六轴传感器采集一单元卫星本体的姿态信息，下行返回六轴传感器数据，包括一单元卫星本体的XYZ三轴加速度以及三轴角加速度；

卫星收到磁强计敏感器指令，由磁强计敏感器采集一单元卫星本体周围的磁场信息，下行返回磁强计敏感器数据，包括一单元卫星本体的三轴磁场大小；

卫星收到气压计指令，由气压计测量一单元卫星本体所处环境信息，下行返回气压计数据，包括一单元卫星本体所处环境气压和温度；

卫星收到拍照指令，由相机模块进行拍照，并将拍摄照片自动储存在Micro SD卡内存存储模块中，下行返回相片信息数据，包括相片的名称代号与相片大小；

卫星收到动量轮开始指令，动量轮开始转动；

卫星收到动量轮停止指令，动量轮停止转动；

卫星收到更改动量轮转速指令，动量轮以指令参数中设定的速度进行转动；

卫星收到磁力矩器指令，磁矩棒的磁矩变为指令参数中设定的磁力矩大小；

卫星收到下行指定相片数据指令，卫星将指定相片数据分包传输下行；

卫星收到姿控稳定指令，卫星达到姿态稳定状态；

卫星收到磁卸载指令，可利用磁铁模拟地磁场对动量轮进行卸载，所述卸载是指动量轮达到规定转速；

卫星收到定向指令，卫星转动到所设定的角度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明与真实卫星相比，能够以较低的成本实现学习人员对卫星的设计、制造、验证和操作等，初学者可以通过套件本身的指令进行操作演示，资深者可以对套件的部分或整理功能进行自主设计，适用于不同层次人员学习；2)该一单元卫星套件区别于市场上已存在的教育卫星，无论在功能设计还是组件模块选择上都是模拟真星、真正存在教育意义的桌面模拟卫星系统；3)地面软件与卫星星务通过Lora无线通信模块进行信息交互，且地面软件与Lora无线通信模块采用串口通信，大大减少了数据通信中间环节所需设备，数据传输过程效率更高，更加稳定；同时简化了卫星上下行数据结构，极大地减少了软件重构工作量，卫星数据可视化，方便用户操作与教学演示；4)立方星上预留有接口，用户对卫星部分或整体功能进行的自主设计，可以通过上述接口进行测试与调试，可扩展性比较强；5)地面数据接收处理方法可以降低立方体卫星数据传输任务的成本，提高立方体教育卫星数据接收演示的灵活性与简洁性，能够同时进行多种不同数据的上下行，提高特定时间段内的卫星与地面信息交互效率，提高长报文遥测信息获取质量；6)提供了两种供电方式，保证立方星在正常工作时不断电的同时节省能源，充分模拟并重现卫星在轨时的供电过程；7)根据气压值判断结果实现立方星自上电，是一种全新的卫星分离自上电方式，通过敏感气压变化判别卫星在轨状态，实现卫星分离自上电，可以充分模拟卫星在太空中真实分离自上电过程，可靠性强；8)本发明方法不局限于Windows操作系统与WPF界面，使用.NET Core技术也可以跨平台开发实现同等功能的控制台应用程序；9)提供了三种姿态控制模式，分别是姿控稳定模式、磁卸载模式和定向模式，能够更加直观的模拟出卫星姿态调整的过程，演示方法有利于使用人员更好地理解卫星的姿态控制过程。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件工作框图。

图2为本发明一个实施例中自上电流程图。

图3为本发明一个实施例中自上电模块的电路示意图。

图4为本发明一个实施例中一单元卫星本体总体结构图。

图5为本发明一个实施例中一单元卫星本体结构分解图。

图6为本发明一个实施例中立方星姿控板结构图。

图7为本发明一个实施例中立方星星务计算机板结构图。

图8为本发明一个实施例中立方星电源板结构图。

图9为本发明一个实施例中地面教育卫星套件工作时一单元卫星本体的状态图。

具体实施方式

结合图1，本发明提出的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，包括一单元卫星本体、Lora无线通信模块和地面演示终端；

一单元卫星本体包括典型的航天器子系统，为立方框架结构，框架内设置：星务计算机主控模块，用于接收地面演示终端传来的指令，对一单元卫星本体执行相应的操作，并处理采集到的卫星数据；姿态信息采集模块，用于采集一单元卫星本体的姿态信息；姿态控制模块，用于控制一单元卫星本体的姿态；GPS定位模块，用于采集一单元卫星本体的位置信息；载荷模块，用于模拟卫星太空拍照；电源模块，用于为其他模块供电；自上电模块，用于控制电源模块为立方星上电；

Lora无线通信模块，用于实现一单元卫星本体与地面演示终端的信息交互。

进一步地，在其中一个实施例中，上述自上电模块包括气压计单元、数据处理控制单元、开关电路单元；

气压计单元，用于采集一单元卫星本体所处环境的气压和温度，并将采集的信息传输至星务计算机主控模块和数据处理控制单元；

数据处理控制单元，用于处理气压计单元采集的气压值，并根据气压值输出使能信号以控制开关电路单元工作；

开关电路单元，用于控制电源模块为立方星上电；

结合图2，上述自上电模块的上电过程包括：

1)由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P1；

2)延迟时长t后，由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P2；

3)计算P1与P2差值的绝对值ξ，并判断ξ与预设的气压变化阈值e的大小关系，若ξ＜e，则延迟时长t后，由数据处理控制单元采集新的气压值并记为气压值P2，将原来的气压值P2记为气压值P1，且令N＝0，之后重复本步骤；反之，令N递增1，并将气压值P2记为气压值P1，执行4)；

4)判断N与次数阈值n的关系，若N大于等于n，则数据处理控制单元输出使能信号使开关电路单元工作，母线电压通过电源模块的输入端供给电源模块为一单元卫星本体上电，且数据处理控制单元待机，开关电路单元的使能信号通过电源模块的输出端提供，在此过程中若一单元卫星本体意外断电，返回执行上述1)，重新为一单元卫星本体上电；反之返回上述2)。

进一步地，在其中一个实施例中，上述气压计单元包括两个气压计，其中两个气压计为主备关系，当主气压计工作异常时由备气压计继续工作。

这里，气压计工作异常包括气压计断电或者损坏、气压计读数超出气压正常范围、气压计读数发生跳变等等。

采用本实施例的方案，能够保证立方星不会因一个气压计出现故障而意外断电，保障了立方星的正常工作。

进一步地，在其中一个实施例中，上述数据处理控制单元包括微处理器。

进一步示例性地，上述微处理器具体采用低功耗STM32L151C8T6芯片，气压计具体采用BMP180。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图3，上述开关电路单元包括第一P通道MOS管Q1、第二P通道MOS管Q2、N通道MOS管Q3、二极管D1、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2；两个P通道MOS管的S极均连接蓄电池的正极即母线电压，两个P通道MOS管的G极均连接N通道MOS管Q3的D极，两个P通道MOS管的D极均连接电源模块的输入端以及第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接地；第二P通道MOS管Q2的S极和G极之间连接第一电阻R1；N通道MOS管Q3的G极与第二电阻R2的一端、第三电阻R3的一端相连，第三电阻R3的另一端接地，第二电阻R2的另一端与数据处理控制单元的输出端、第四电阻R4的一端相连，第四电阻R4的另一端与第二电容C2的一端、二极管D1的负极相连，第二电容C2的另一端接地，二极管D1的正极与电源模块的输出端相连。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图1，上述电源模块包括太阳能电池阵、蓄电池组、AD转换模块和能源控制模块；太阳能电池阵、蓄电池组均用于为一单元卫星本体供电；AD转换模块用于将电流、电压以及温度信息通过SPI总线传输至星务计算机主控模块，之后由星务计算机主控模块判断是否出现蓄电池组过充、母线过压状态；电压转换模块，用于将母线电压转换为一单元卫星本体所需电压；其中，能源控制模块包括功率调节单元、分流单元以及欠压锁存单元；功率调节单元串联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，用于实现对太阳能最大功率点的追踪；分流单元并联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，实现对蓄电池组的过充保护以及母线过压保护；欠压锁存单元，用于在一单元卫星本体电量降到预设低阈值时切断母线，以使一单元卫星本体断电。

进一步地，在其中一个实施例中，上述一单元卫星本体采用单一不调节母线，母线电压即蓄电池组的电压，范围为6.5～8.4V，若母线电压小于下限值6.5V时，欠压锁存单元将母线切断，整个卫星断电，直到将蓄电池组的电压充到6.7V时，母线自动重启。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图1，上述姿态信息采集模块包括六轴传感器与磁强计敏感器；六轴传感器用于测量一单元卫星本体的姿态数据并传输至星务计算机主控模块进行处理，磁强计敏感器用于测量一单元卫星本体坐标系下的磁场强度和方向；

进一步地，在其中一个实施例中，结合图1，上述姿态控制模块包括动量轮模块及两个磁矩棒；星务计算机主控模块将六轴传感器传回的卫星姿态通过Lora无线通信模块下行数据给地面演示终端，地面演示终端根据卫星当前的姿态数据，通过Lora无线通信模块上行指令给星务计算机主控模块，星务计算机主控模块控制动量轮模块及两个磁矩棒实施具体指令模拟卫星姿态调整的过程。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图1，上述载荷模块包括相机模块和MicroSD卡内存存储模块，相机模块拍摄照片并将图片自动发送存储至Micro SD卡内存存储模块；

进一步地，在其中一个实施例中，上述Micro SD卡内存存储模块的数据传输遵循SD 2.0协议。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图1，上述Lora无线通信模块包括外围电路单元与Lora无线通信模块内部电路单元；外围电路单元包括电压转换单元、复位单元、收发器单元、时钟单元、滤波单元、第一LED指示灯单元和第二LED指示灯单元；电压转换单元用于转换电压后给Lora无线通信模块供电；复位单元用于对Lora无线通信模块进行复位重启；收发器单元用于实现Lora无线通信模块数据接收；第一LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行信息收发时进行闪烁；第二LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行复位时亮起；Lora通信模块内部电路单元包括电源单元、复位时钟单元、射频单元和外部接口单元；电源单元用于保证供电的稳定性；外部接口单元用于引出内部芯片IO引脚。

进一步地，在其中一个实施例中，上述地面演示终端通过PC机串口与Lora通信模块建立连接。

进一步地，在其中一个实施例中，上述星务计算机主控模块具体采用基于ARMCortex-M4架构的32位微处理器，工作频率最高达168MHz，拥有1MB的Flash存储和192+4KB的SRAM存储，工作电压为3.3V，功耗为600mW，Cortex-M4F内核支持所有ARM单精度数据处理指令和单精度浮点单元数据类型。同时实现了一套完整的DSP指令访问和内存保护单元机制，可增强了应用程序的稳定性和安全性。

进一步地，在其中一个实施例中，上述一单元卫星本体包括若干功能测试接口，用户对卫星部分或整体功能进行的自主设计，可以通过上述接口进行测试与调试，实现了嵌入式软件与航天技术的结合。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图4至图8，本发明地面教育卫星套件的结构具体包括：两个卫星立方体框架4、三个太阳能电池阵体装板3、一个有机玻璃材质的壁板9、位于两个卫星立方体框架4内部的姿控板5、星务计算机板6和电源板7，两个卫星立方体框架4固定对接从而在周向形成四个安装面，三个太阳能电池阵体装板3和一个有机玻璃材质的壁板9分别固定安装于所述四个安装面上，姿控板5和电源板7分别与星务计算机板6通信连接；

上述姿控板5包括姿控基板8和安装于姿控基板上的六轴传感器与磁强计敏感器的集成模块15，动量轮模块17，两个磁矩棒12。

上述星务计算机板6包括星务计算机基板34和安装于星务计算机基板上的星务计算机主控模块19、Lora无线通信模块及天线23、GPS定位模块20、相机模块26和Micro SD卡内存存储模块22；上述电源板7包括电源基板35和安装于电源基板上的蓄电池组30、电压转换模块33和自上电模块31。

进一步地，在其中一个实施例中，地面教育卫星套件还包括四根螺纹杆10和多个立柱11，上述两个卫星立方体框架4的顶部和底部各设置有四个螺纹孔2，四根螺纹杆10穿过顶部的螺纹孔2、姿控板5、星务计算机板6、电源板7和底部的螺纹孔2设置，姿控板5、星务计算机板6和电源板7之间的螺纹杆10的外部均套设有立柱11。

进一步地，在其中一个实施例中，地面教育卫星套件还包括有机玻璃顶板1，上述有机玻璃顶板1位于上述两个卫星立方体框架4的顶部。

进一步地，在其中一个实施例中，上述姿控板5、星务计算机板6和电源板7自上而下依次设置，上述四根螺纹杆10穿过有机玻璃顶板1设置且在姿控板5与有机玻璃顶板1之间的螺纹杆10的外部均套设有立柱11。

进一步地，在其中一个实施例中，上述有机玻璃材质的壁板9正对相机模块26设置。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图6，上述姿控板5还包括安装于姿控基板上的第一PC104排座16、第一LED灯13和Molex接口14。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图7，上述星务计算机板6还包括安装于星务计算机基板上的第二PC104排座36、I2C总线接口18、第一USART串口21、Micro SD卡内存存储模块22、SPI接口24、第二LED灯25和DEBUG测试接口27。

进一步地，在其中一个实施例中，结合图8，上述电源板7还包括安装于电源基板上的第三PC104排座37、蓄电池充电接口28、第二USART串口29、AD转换模块32。

本发明提供了一种基于上述可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，包括以下内容：

地面演示终端通过Lora无线通信模块与一单元卫星本体建立数据线路连接，进行无线通信；

地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，之后由地面演示终端对数据进行解析；

用户结合返回的数据信息，根据实际需求通过相应上行指令调整更改卫星运行情况、获取卫星采集到的数据信息。

进一步地，在其中一个实施例中，上述上行控制指令包括无参指令和有参指令；其中，无参指令长为5字节，包括遥测指令、GPS指令、六轴传感器指令、磁强计敏感器指令、气压计指令、拍照指令、动量轮开始与停止指令；含参指令包括更改动量轮转速指令、磁力矩器指令、下行指定相片数据指令；更改动量轮转速指令的参数内容是调整动量轮转速的具体数值；磁力矩器指令的参数内容是磁力矩大小；下行指定相片数据的参数内容是所要求下行相片的代号；定向指令的参数包括卫星转动到的角度。

进一步地，在其中一个实施例中，上述地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，包括：

卫星收到遥测指令，将执行下行星上状态数据，下行返回卫星星上原始数据，包括卫星光电压、光电流、母线电压、母线电流、Lora无线通信模块的电压、Lora无线通信模块的电流；

卫星收到GPS指令，由GPS定位模块采集一单元卫星本体的位置信息，下行返回GPS数据，包括一单元卫星本体的经纬度信息、轨道高度、星上UTC时间；

卫星收到六轴传感器指令，由六轴传感器采集一单元卫星本体的姿态信息，下行返回六轴传感器数据，包括一单元卫星本体的XYZ三轴加速度以及三轴角加速度；

卫星收到磁强计敏感器指令，由磁强计敏感器采集一单元卫星本体周围的磁场信息，下行返回磁强计敏感器数据，包括一单元卫星本体的三轴磁场大小；

卫星收到气压计指令，由气压计测量一单元卫星本体所处环境信息，下行返回气压计数据，包括一单元卫星本体所处环境气压和温度；

卫星收到拍照指令，由相机模块进行拍照，并将拍摄照片自动储存在Micro SD卡内存存储模块中，下行返回相片信息数据，包括相片的名称代号与相片大小；

卫星收到动量轮开始指令，动量轮开始转动；

卫星收到动量轮停止指令，动量轮停止转动；

卫星收到更改动量轮转速指令，动量轮以指令参数中设定的速度进行转动；

卫星收到磁力矩器指令，磁矩棒的磁矩变为指令参数中设定的磁力矩大小；

卫星收到下行指定相片数据指令，卫星将指定相片数据分包传输下行；

卫星收到姿控稳定指令，卫星达到姿态稳定状态；

卫星收到磁卸载指令，可利用磁铁模拟地磁场对动量轮进行卸载(卸载是指动量轮达到规定转速)；

卫星收到定向指令，卫星转动到所设定的角度。

进一步地，在其中一个实施例中，上述由地面演示终端对数据进行解析具体为：

针对Lora无线通信模块传来的所有的卫星遥测数据，以将数据转换为规范数据体格式；

针对卫星遥测数据中的相片数据，卫星将指定相片数据分包传输下行过程中，地面演示终端根据接收到的相片数据对长报文的丢包进行统计和显示，并根据接收数据的包序号NO来判断是否存在丢包现象，进行丢包检测：如果丢包，会通知用户具体丢包序号，用户可以发送单包上行指令获取丢包数，还可以发送下行指定序号数据包的上行指令来命令卫星进行数据包重发，判断是否重复请求下行单包的依据是指定包是否被接收，地面演示终端同时会有相应的显示响应。

进一步地，在其中一个实施例中，地面教育卫星套件工作时，一单元卫星本体为悬挂状态如图9所示。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，包括一单元卫星本体、Lora无线通信模块和地面演示终端；

所述一单元卫星本体包括典型的航天器子系统，为立方框架结构，框架内设置：星务计算机主控模块，用于接收地面演示终端传来的指令，对一单元卫星本体执行相应的操作，并处理采集到的卫星数据；姿态信息采集模块，用于采集一单元卫星本体的姿态信息；姿态控制模块，用于控制一单元卫星本体的姿态；GPS定位模块，用于采集一单元卫星本体的位置信息；载荷模块，用于模拟卫星太空拍照；电源模块，用于为其他模块供电；自上电模块，用于控制所述电源模块为立方星上电；

Lora无线通信模块，用于实现一单元卫星本体与地面演示终端的信息交互；

所述自上电模块包括气压计单元、数据处理控制单元、开关电路单元；

气压计单元，用于采集一单元卫星本体所处环境的气压和温度，并将采集的信息传输至星务计算机主控模块和数据处理控制单元；

数据处理控制单元，用于处理气压计单元采集的气压值，并根据气压值输出使能信号以控制开关电路单元工作；

开关电路单元，用于控制所述电源模块为立方星上电；

所述自上电模块的上电过程包括：

1)由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P1；

2)延迟时长t后，由数据处理控制单元采集一单元卫星本体所在空间的气压值P2；

3)计算P1与P2差值的绝对值ξ，并判断ξ与预设的气压变化阈值e的大小关系，若ξ＜e，则延迟时长t后，由数据处理控制单元采集新的气压值并记为气压值P2，将原来的气压值P2记为气压值P1，且令N＝0，之后重复本步骤；反之，令N递增1，并将气压值P2记为气压值P1，执行4)；

4)判断N与次数阈值n的关系，若N大于等于n，则数据处理控制单元输出使能信号使开关电路单元工作，母线电压通过电源模块的输入端供给电源模块为一单元卫星本体上电，且数据处理控制单元待机，开关电路单元的使能信号通过电源模块的输出端提供，在此过程中若一单元卫星本体意外断电，返回执行上述1)，重新为一单元卫星本体上电；反之返回上述2)。

2.根据权利要求1所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，所述气压计单元包括两个气压计，其中两个气压计为主备关系，当主气压计工作异常时由备气压计继续工作；

所述数据处理控制单元包括微处理器；

所述开关电路单元包括第一P通道MOS管(Q1)、第二P通道MOS管(Q2)、N通道MOS管(Q3)、二极管(D1)、第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第四电阻(R4)、第一电容(C1)、第二电容(C2)；所述两个P通道MOS管的S极均连接蓄电池的正极即母线电压，两个P通道MOS管的G极均连接N通道MOS管(Q3)的D极，两个P通道MOS管的D极均连接电源模块的输入端以及第一电容(C1)的一端，第一电容(C1)的另一端接地；第二P通道MOS管(Q2)的S极和G极之间连接第一电阻(R1)；N通道MOS管(Q3)的G极与第二电阻(R2)的一端、第三电阻(R3)的一端相连，第三电阻(R3)的另一端接地，第二电阻(R2)的另一端与数据处理控制单元的输出端、第四电阻(R4)的一端相连，第四电阻(R4)的另一端与第二电容(C2)的一端、二极管(D1)的负极相连，第二电容(C2)的另一端接地，二极管(D1)的正极与电源模块的输出端相连。

3.根据权利要求1所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，所述电源模块包括太阳能电池阵、蓄电池组、AD转换模块和能源控制模块；太阳能电池阵、蓄电池组均用于为一单元卫星本体供电；AD转换模块用于将电流、电压以及温度信息通过SPI总线传输至星务计算机主控模块，之后由星务计算机主控模块判断是否出现蓄电池组过充、母线过压状态；电压转换模块，用于将母线电压转换为一单元卫星本体所需电压；其中，能源控制模块包括功率调节单元、分流单元以及欠压锁存单元；功率调节单元串联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，用于实现对太阳能最大功率点的追踪；分流单元并联于太阳能电池阵与蓄电池组之间，实现对蓄电池组的过充保护以及母线过压保护；欠压锁存单元，用于在一单元卫星本体电量降到预设低阈值时切断母线，以使一单元卫星本体断电；

所述姿态信息采集模块包括六轴传感器与磁强计敏感器；六轴传感器用于测量一单元卫星本体的姿态数据并传输至星务计算机主控模块进行处理，磁强计敏感器用于测量一单元卫星本体坐标系下的磁场强度和方向；

所述姿态控制模块包括动量轮模块及两个磁矩棒；星务计算机主控模块将六轴传感器传回的卫星姿态通过Lora无线通信模块下行数据给地面演示终端，地面演示终端根据卫星当前的姿态数据，通过Lora无线通信模块上行指令给星务计算机主控模块，星务计算机主控模块控制动量轮模块及两个磁矩棒实施具体指令模拟卫星姿态调整的过程；

所述载荷模块包括相机模块和Micro SD卡内存存储模块，相机模块拍摄照片并将图片自动发送存储至Micro SD卡内存存储模块；

所述Lora无线通信模块包括外围电路单元与Lora无线通信模块内部电路单元；所述外围电路单元包括电压转换单元、复位单元、收发器单元、时钟单元、滤波单元、第一LED指示灯单元和第二LED指示灯单元；电压转换单元用于转换电压后给Lora无线通信模块供电；复位单元用于对Lora无线通信模块进行复位重启；收发器单元用于实现Lora无线通信模块数据接收；第一LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行信息收发时进行闪烁；第二LED指示灯单元用于在Lora无线通信模块进行复位时亮起；所述Lora通信模块内部电路单元包括电源单元、复位时钟单元、射频单元和外部接口单元；电源单元用于保证供电的稳定性；外部接口单元用于引出内部芯片IO引脚。

4.根据权利要求1所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，所述一单元卫星本体包括若干功能测试接口，用户对卫星部分或整体功能进行的自主设计，可以通过上述接口进行测试与调试。

5.根据权利要求1所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，该套件的结构具体包括：两个卫星立方体框架(4)、三个太阳能电池阵体装板(3)、一个有机玻璃材质的壁板(9)、位于两个卫星立方体框架(4)内部的姿控板(5)、星务计算机板(6)和电源板(7)，所述两个卫星立方体框架(4)固定对接从而在周向形成四个安装面，三个太阳能电池阵体装板(3)和一个有机玻璃材质的壁板(9)分别固定安装于所述四个安装面上，姿控板(5)和电源板(7)分别与星务计算机板(6)通信连接；

所述姿控板(5)包括姿控基板(8)和安装于所述姿控基板上的六轴传感器与磁强计敏感器的集成模块(15)，动量轮模块(17)，两个磁矩棒(12)；所述星务计算机板(6)包括星务计算机基板(34)和安装于所述星务计算机基板上的星务计算机主控模块(19)、Lora无线通信模块及天线(23)、GPS定位模块(20)、相机模块(26)和Micro SD卡内存存储模块(22)；所述电源板(7)包括电源基板(35)和安装于所述电源基板上的蓄电池组(30)、电压转换模块(33)和自上电模块(31)；

还包括四根螺纹杆(10)和多个立柱(11)，所述两个卫星立方体框架(4)的顶部和底部各设置有四个螺纹孔(2)，所述四根螺纹杆(10)穿过顶部的螺纹孔(2)、姿控板(5)、星务计算机板(6)、电源板(7)和底部的螺纹孔(2)设置，所述姿控板(5)、星务计算机板(6)和电源板(7)之间的螺纹杆(10)的外部均套设有立柱(11)；

还包括有机玻璃顶板(1)，所述有机玻璃顶板(1)位于所述两个卫星立方体框架(4)的顶部。

6.根据权利要求5所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件，其特征在于，所述姿控板(5)还包括安装于姿控基板上的第一PC104排座(16)、第一LED灯(13)和Molex接口(14)；

所述星务计算机板(6)还包括安装于星务计算机基板上的第二PC104排座(36)、I2C总线接口(18)、第一USART串口(21)、Micro SD卡内存存储模块(22)、SPI接口(24)、第二LED灯(25)和DEBUG测试接口(27)；

所述电源板(7)还包括安装于电源基板上的第三PC104排座(37)、蓄电池充电接口(28)、第二USART串口(29)、AD转换模块(32)；

所述姿控板(5)、星务计算机板(6)和电源板(7)自上而下依次设置，所述四根螺纹杆(10)穿过有机玻璃顶板(1)设置且在所述姿控板(5)与所述有机玻璃顶板(1)之间的螺纹杆(10)的外部均套设有立柱(11)；

所述有机玻璃材质的壁板(9)正对相机模块(26)设置。

7.基于权利要求1至6任意一项所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，其特征在于，包括以下内容：

地面演示终端通过Lora无线通信模块与一单元卫星本体建立数据线路连接，进行无线通信；

地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，之后由地面演示终端对数据进行解析；

用户结合返回的数据信息，根据实际需求通过相应上行指令调整更改卫星运行情况、获取卫星采集到的数据信息。

8.根据权利要求7所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，其特征在于，所述上行控制指令包括无参指令和有参指令；其中，无参指令长为5字节，包括遥测指令、GPS指令、六轴传感器指令、磁强计敏感器指令、气压计指令、拍照指令、动量轮开始与停止指令、姿控稳定指令、磁卸载指令；含参指令包括更改动量轮转速指令、磁力矩器指令、下行指定相片数据指令、定向指令；更改动量轮转速指令的参数包括调整动量轮转速的具体数值；磁力矩器指令的参数包括磁力矩大小；下行指定相片数据的参数包括所要求下行相片的代号；定向指令的参数包括卫星转动到的角度。

9.根据权利要求7或8所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，其特征在于，所述地面演示终端发送上行控制指令，指导一单元卫星本体工作，卫星收到不同指令后选择不同动作执行并下行返回相应数据信息，包括：

卫星收到遥测指令，将执行下行星上状态数据，下行返回卫星星上原始数据，包括卫星光电压、光电流、母线电压、母线电流、Lora无线通信模块的电压、Lora无线通信模块的电流；

卫星收到GPS指令，由GPS定位模块采集一单元卫星本体的位置信息，下行返回GPS数据，包括一单元卫星本体的经纬度信息、轨道高度、星上UTC时间；

卫星收到六轴传感器指令，由六轴传感器采集一单元卫星本体的姿态信息，下行返回六轴传感器数据，包括一单元卫星本体的XYZ三轴加速度以及三轴角加速度；

卫星收到磁强计敏感器指令，由磁强计敏感器采集一单元卫星本体周围的磁场信息，下行返回磁强计敏感器数据，包括一单元卫星本体的三轴磁场大小；

卫星收到气压计指令，由气压计测量一单元卫星本体所处环境信息，下行返回气压计数据，包括一单元卫星本体所处环境气压和温度；

卫星收到拍照指令，由相机模块进行拍照，并将拍摄照片自动储存在Micro SD卡内存存储模块中，下行返回相片信息数据，包括相片的名称代号与相片大小；

卫星收到动量轮开始指令，动量轮开始转动；

卫星收到动量轮停止指令，动量轮停止转动；

卫星收到更改动量轮转速指令，动量轮以指令参数中设定的速度进行转动；

卫星收到磁力矩器指令，磁矩棒的磁矩变为指令参数中设定的磁力矩大小；

卫星收到下行指定相片数据指令，卫星将指定相片数据分包传输下行；

卫星收到姿控稳定指令，卫星达到姿态稳定状态；

卫星收到磁卸载指令，可利用磁铁模拟地磁场对动量轮进行卸载，所述卸载是指动量轮达到规定转速；

卫星收到定向指令，卫星转动到所设定的角度。

10.根据权利要求7所述的可实现标准立方星功能的地面教育卫星套件的演示方法，其特征在于，所述由地面演示终端对数据进行解析具体为：

针对Lora无线通信模块传来的所有的卫星遥测数据，以将数据转换为规范数据体格式；

针对卫星遥测数据中的相片数据，卫星将指定相片数据分包传输下行过程中，地面演示终端根据接收到的相片数据对长报文的丢包进行统计和显示，并根据接收数据的包序号NO来判断是否存在丢包现象，进行丢包检测：如果丢包，会通知用户具体丢包序号，用户可以发送单包上行指令获取丢包数，还可以发送下行指定序号数据包的上行指令来命令卫星进行数据包重发，判断是否重复请求下行单包的依据是指定包是否被接收，地面演示终端同时会有相应的显示响应。

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