CN114256600B - 模块化立方星结构及其组合电路 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种模块化立方星结构及其组合电路。所述模块化立方星结构包括：通用结构以及有效载荷模块；通用结构包括：太阳能电池板、微型收发天线、三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器以及对接结构；三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器用于实现模块化立方星的姿态控制和轨道控制；太阳能电池板、微型收发天线作为通用框架的基本单元，用以实现任务供能和星间小功率通信。有效载荷模块是根据模块化立方星面向任务所执行的功能设置的；模块化立方星在接收到组合指令时，通过姿态控制和轨道控制，进行组合，并且通过对接结构进行固定。采用本结构能够有效的提升卫星系统面临紧急情况时的快速响应能力。

Description

模块化立方星结构及其组合电路

技术领域

本申请涉及卫星技术领域，特别是涉及一种模块化立方星结构及其组合电路。

背景技术

随着人类探索太空的步伐日益加快，空间任务的样式日渐丰富，面临的任务环境也日益复杂，对航天器的快速响应能力提出了更高要求。

若采用“整体式设计，一次性使用”的思想设计航天器，则设计出的航天器难以满足空间系统功能灵活、体系弹性的需求。此外，采用上述思路设计出的航天器还存在以下不足：

(1)航天器主要针对具体任务设计相应结构，能满足的任务和功能比较单一；

(2)航天器一般将热控、通信、姿轨控制等许多有效载荷集成在一起，其结构较为复杂。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种模块化立方星结构及其组合电路。

一种模块化立方星结构，包括：

通用结构以及有效载荷模块；

所述通用结构包括：太阳能电池板、微型收发天线、三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器以及对接结构；

所述三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器用于实现模块化立方星的姿态控制和轨道控制；

所述太阳能电池板、微型收发天线为通用架构中的基本单元，用以执行模块立方星供电、小功率通信任务；

所述有效载荷模块是根据模块化立方星面向任务所执行的功能设置的；

模块化立方星在接收到组合指令时，通过姿态控制和轨道控制，进行组合，并且通过所述对接结构进行固定。

在其中一个实施例中，还包括：所述对接结构包含凸面和凹面，所述凸面上设置了多个电磁体，所述凹面设置对应数量的对接口，所述凸面和凹面分别设置了通讯引针插头和通讯引针插座；

模块化立方星组合之后，所述通讯引针插头和通讯引针插座连接，建立模块化立方星之间的通讯以及供电。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为太阳能帆板，所述太阳能帆板用于给组合后其他模块化立方星供电。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为中心控制系统，所述中心控制系统用于进行组合后模块化立方星的能量、信号、负载的整体控制，以及存储和下传收集到的数据。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为电池能源模块；

所述电池能源模块在未组合之前处于休眠状态，当组合后的模块化立方星中包括太阳能帆板时，通过太阳能帆板给电池能源模块，并且组合后的模块化立方星消耗电池能源模块的电能。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为探测器模块，所述探测器模块包括多个短焦距光学成像透镜和多个红外探头。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为机械手模块，所述机械手模块包括机械手和机械臂控制子系统，所述机械手为多自由度可伸缩机械臂，所述机械臂控制子系统通过步进电机控制所述机械手在多自由度运动。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为镜头模块，所述镜头模块包括三个长焦距镜头。

在其中一个实施例中，还包括：所述有效载荷模块为通讯模块，所述通讯模块包括大功率收发器天线，用于进行远程空间通信。

一种模块化立方星的组合电路，包括：

对接结构对应的接口电路以及各个有效载荷模块对应的功能电路；

在所述的模块化立方星结构进行组合时，通过所述接口电路将所述功能电路进行连接。

上述模块化立方星结构及其组合电路，采用模块化的概念设计出立方星的通用结构，然后针对不同的任务需求，将执行任务的部件作为有效载荷。模块化立方星之间可以通过对接结构进行连接，该连接不仅是物理上的连接，而且是一种通讯连接。通过该模块化设计，模块化立方星可以根据不同的任务需求进行组合，在任务执行完成后可以控制分离，有效的提升卫星的快速响应能力。

附图说明

图1为一个实施例中模块化立方星结构示意图；

图2为一个实施例中对接结构示意图；

图3为一个实施例中太阳能帆板立方星的结构示意图；

图4为一个实施例中中心控制立方星的结构示意图；

图5为一个实施例中电池能源立方星的结构示意图；

图6为一个实施例中探测器立方星的结构示意图；

图7为一个实施例中机械手立方星的结构示意图；

图8为一个实施例中通讯立方星的结构示意图；

图9为一个实施例中镜头立方星的结构示意图；

图10为一个实施例中机械臂控制子系统电路原理图；

图11为另一个实施例中射频通信子系统示意图；

图12为一个实施例中数据采集子系统示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种模块化立方星结构，包括：

通用结构以及有效载荷模块；通用结构包括：太阳能电池板、微型收发天线、三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器以及对接结构；三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器用于实现模块化立方星的姿态控制和轨道控制；太阳能电池板、收发天线作为基本框架的基本单元，用以实现任务的供能和小功率星间通信；有效载荷模块是根据模块化立方星面向任务所执行的功能设置的；模块化立方星在接收到组合指令时，通过姿态控制和轨道控制，进行组合，并且通过对接结构进行固定。

值得说明的是通用结构是卫星的基本载荷，可以实现卫星的基本功能，例如姿态控制和轨道控制，通过姿态控制和轨道控制可以实现模块化立方星之间的对接。

具体的，太阳能电池片可为立方星供电，实现卫星独立运行时的能源补充。天线可为卫星在空间运行建立通讯链路，三轴陀螺和三轴双向霍尔推进器可以为卫星在空间独立运行时提供姿态和轨道控制。供电系统包含太阳能电池片和微型电池两部分。太阳能电池片分布在立方星的上下盖板，微型电池分布在立方形架构的凹面内侧，二者可以独立给卫星进行供电。通用框架的上盖板种还配备一套微型收发天线、一套三轴陀螺和一套三轴双向霍尔电推进器。用于实现星间通信和姿态、轨道控制、任务供能以及小功率星间通信。

上述模块化立方星结构中，采用模块化的概念设计出立方星的通用结构，然后针对不同的任务需求，将执行任务的部件作为有效载荷。模块化立方星之间可以通过对接结构进行连接，该连接不仅是物理上的连接，而且是一种通讯连接，通过该模块化设计，模块化立方星可以根据不同的任务需求进行组合，在任务执行完成后可以控制分离，有效的提升卫星的快速响应能力。

在其中一个实施例中，如图2所示，对接结构包含凸面和凹面，凸面上设置了多个电磁体，凹面设置对应数量的对接口，凸面和凹面分别设置了通讯引针插头和通讯引针插座；模块化立方星组合之后，通讯引针插头和通讯引针插座连接，建立模块化立方星之间的通讯以及供电。

具体的，通用框架的结构中，其凹面空间经常被占用，用以实现有效载荷所执行的功能。因此其微型电池移动到凸面中央控制模块的内部。

具体的，立方星组合之后，成为一个功能整体，因此其功能控制、数据处理等由统一控制模块进行控制，因此立方星之间的对接结构不是简单的物理连接，而是涉及到对接方式、对接结构以及通信架构。

更具体的，对接结构分为凸面和凹面。凸面上分布着八个微型电磁体，可以由后面的电池进行供电，并由每个卫星自主控制；凹面上有八个相应的对接孔，对接孔底部的材料容易吸附，孔壁由不易吸附的铝合金制成。电磁铁顶部和对接孔上部设有倒角，能够提升控制过程中的容错率。

两颗卫星需要通过对接机构实现组合。对于两颗星组合后的通讯，则需要通过插针实现。在对接面上设有7×7的插针阵列，中央为实现卫星的星间多级控制的大功率电源接口，用以实现星间通信和供能。

多种模块化立方星有效载荷设计。目前随着在轨服务概念的兴起，近距离观测、在轨加注、碎片清理、对地观测等任务频频出现。为迎合实际需求，主要设计了组合后的对地观测卫星、碎片清理卫星、通讯卫星以及近距离观测卫星的各个有效载荷模块。

在其中一个实施例中，如图3所示，有效载荷模块为太阳能帆板，太阳能帆板用于给组合后其他模块化立方星供电。

具体的，太阳能帆板为有效载荷的立方星，其功能是在多颗卫星组装后为系统提供能量转换输入。两边都有五块太阳能折叠板，在卫星发射时或者未与其他卫星结合时，帆板可以折叠进卫星内部，与其他卫星组合工作时，帆板展开，中心旋转轴与卫星方向匹配，最大限度地提高受光照面积，提高能量转换效率。

在其中一个实施例中，如图4所示，有效载荷模块为中心控制系统，中心控制系统用于进行组合后模块化立方星的能量、信号、负载的整体控制，以及存储和下传收集到的数据。

具体的，中心控制模块化立方星。其作用是在多个卫星组合后控制整个系统的能量、信号、负载等各个方面，并存储和下传收集到的数据。它主要由一台集成计算机组成，其显示窗口便于调试人员在地面和空间站进行手动调试。

在其中一个实施例中，如图5所示，有效载荷模块为电池能源模块；电池能源模块在未组合之前处于休眠状态，当组合后的模块化立方星中包括太阳能帆板时，通过太阳能帆板给电池能源模块，并且组合后的模块化立方星消耗电池能源模块的电能。

具体的，电池模块化立方星。其主要功能是在多颗卫星组合后为整个系统进行供电，主要由多节锂电池组装而成。当它单独工作时，不会补充和消耗锂电池中的电量，锂电池只在与太阳能电池板模块卫星组合时补充电力，只在与其他负载模块卫星结合时消耗电力，其余时间该卫星消耗微型电池的电量。

在其中一个实施例中，如图6所示，有效载荷模块为探测器模块，所述探测器模块包括多个短焦距光学成像透镜和多个红外探头。主要是在近距离观测成像或形状扫描时会用到，有效载荷由一个短焦距光学成像透镜和多个红外成像探头组成，可以实现短距离目标的精确形状重建。

在其中一个实施例中，如图7所示，有效载荷模块为机械手模块，机械手模块包括机械手和机械臂控制子系统，机械手为多自由度可伸缩机械臂，机械臂控制子系统通过步进电机控制机械手在多自由度运动。其定义为一个机械执行卫星，有效载荷主要由一个可伸缩的机械手组成。在不执行任务单独运行时，机械手处于回收状态，可被卫星包覆。在执行任务时，中控模块立方星发送控制信号，控制机械手的伸出和收回以及前爪的展开和收紧，达到抓取目标的目的。该模块化卫星可以用来清理空间碎片或执行一些简单的空间站维护工作。

在其中一个实施例中，如图8所示，有效载荷模块为镜头模块，所述镜头模块包括三个长焦距镜头。主要任务是对地球等远程目标进行光学观测和成像，并将收集到的数据传输到中央控制模块卫星进行存储或下载。

在其中一个实施例中，如图9所示，有效载荷模块为通讯模块，所述通讯模块包括大功率收发器天线，用于进行远程空间通信。可以作为中继卫星充当远程空间通信的桥梁。由于其功率高，在它独立运行时，仍然使用基本框架配备的两个微型收发天线作为它自己的信号收发设备。

值得说明的是，上述图1-9为本申请的设计图，其核心是通过将卫星设计为更易组装的立方星结构，并且每个立方星搭载一种或者多种载荷，以应对一个或者多个具体的任务，从而在进行卫星任务执行时，通过向对应的立方星发送指令，指导立方星之间通过对接结构在空间中完成对接，从而成为一个任务执行的整体，有效的提升卫星的快速响应能力。

在其中一个实施例中，提供一种模块化立方星的组合电路，包括：对接结构对应的接口电路以及各个有效载荷模块对应的功能电路；模块化立方星结构进行组合时，通过接口电路将功能电路进行连接。

具体的，多种组合后卫星的电路连接原理设计。以近距离观测、对地观测、碎片清理和在轨通讯四个任务作为基础，主要设计模块化卫星组合后的逻辑通信，进而可以进行逻辑编程。

如图10所示，一种碎片清理任务机械臂控制子系统电路原理设计。采用与机械手相同自由度数量的步进电机进行逻辑控制，综合设计成本和控制精度，六个PWM波的输出通过一个简单的功率放大器电路传输到电机。信号来自霍尔元件、视听电流采样和PI调节器的电流作为扩展部件。最终，加上电源四条线路以及电力线路，整个碎片清理卫星至少十条线路。

如图11所示，一种射频通信子系统设计。射频(RF)通信部分主要完成星地和星间通信。由于卫星之间的相对距离比较近，采用简单的线天线和补丁天线，而星地通信链路较长，采用高增益的补丁天线和螺旋天线，地面站也具有高增益。本系统的射频通信组件主要包括射频收发机、射频前端和相应的馈线系统。在每个独立的立方星单元接口中，有16个射频连接单元用于信号传输。与简单的电信号连接不同，射频信号需要采用较少损耗的传输接口，以保证高频信号正常传输。

如图12所示，一种数据采集子系统设计。数据采集子系统主要针对卫星的对地观测和近距离观测任务，包含照相机和扫描仪。摄像机的功能包括对接成像、辅助观测、其他模块简单观察等，需要尽快实时传输采集信号，但信号量要求不太苛刻。扫描仪功能是对目标卫星进行深度成像，并通过CPU数据处理传递数据，以获得可能的故障原因。在进行设计数据采集系统时，充分利用了不同卫星之间的端口，与16～24个并行端口传输摄像机图像，并通过4条传输线串行传输扫描仪数据。

所执行的四个任务分别为：

通信任务:主要任务是与地面和星间建立通讯，因此在有效载荷部分选择的是射频接受和发射装置，位于航天器中心的是一个中心控制模块和信息处理模块，射频发射与接收后的信息通过信息处理模块和中心控制模块进而控制整个航天器的姿态和轨道。尾部装配有电源供电模块立方星以及太阳能帆板模块立方星，在组合体航天器运动的过程中由电池模块进行供电，其太阳能帆板的状态为“伸出至立方星外部”以接受光照。

目标扫描任务：与通讯任务组合体航天器类似，每个模块化的立方星对接通过硬件和软件互联。该组合立方星的有效载荷是一个探测器模块，可以通过给目标卫星进行近距离成像，进而将接受到的信号传递给信号处理模块和中心控制模块，对扫描的卫星的信息进行在轨处理。

碎片清理任务：主要载荷是机械臂，控制中心给姿态控制模块和机械臂控制模块发送抓捕任务的相关指令，以控制组合立方星的朝向和机械臂前爪的伸缩和张闭，两者配合以实现抓取的功能。

对地观测任务：由于对地成像距离比较远，为了能够对地成像更为清晰，该组合立方星的主要载荷是一个长焦镜头，信息处理模块和中心控制模块以及电源模块与前面类似。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

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 (9)

1.一种模块化立方星结构，其特征在于，包括：

通用结构以及有效载荷模块；所述有效载荷模块包括：太阳能帆板、中心控制系统、探测器模块、机械手模块、镜头模块以及通讯模块；

所述通用结构包括：太阳能电池板、微型收发天线、三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器以及对接结构；所述对接结构包含凸面和凹面，所述凸面上设置了多个电磁体，所述凹面设置对应数量的对接口，所述凸面和凹面分别设置了通讯引针插头和通讯引针插座；模块化立方星组合之后，所述通讯引针插头和通讯引针插座连接，建立模块化立方星之间的通讯以及供电；

所述三轴陀螺、三轴双向霍尔电推进器用于实现模块化立方星的姿态控制和轨道控制；所述有效载荷模块是根据模块化立方星面向任务所执行的功能设置的；

所述太阳能电池板、微型收发天线为通用架构中的基本单元，用以执行模块立方星供电、小功率通信任务；

模块化立方星在接收到组合指令时，通过姿态控制和轨道控制，进行组合，并且通过所述对接结构进行固定。

2.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为太阳能帆板时，所述太阳能帆板用于给组合后其他模块化立方星供电。

3.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为中心控制系统时，所述中心控制系统用于进行组合后模块化立方星的能量、信号、负载的整体控制，以及存储和下传收集到的数据。

4.根据权利要求2所述的模块化立方星结构，其特征在于，所述有效载荷模块包括：电池能源模块；

所述电池能源模块和所述太阳能帆板在未组合之前，所述电池能源模块处于休眠状态，当组合后，通过所述太阳能帆板给电池能源模块供电，并且组合后的模块化立方星消耗电池能源模块的电能。

5.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为探测器模块时，所述探测器模块包括多个短焦距光学成像透镜和多个红外探头。

6.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为机械手模块时，所述机械手模块包括机械手和机械臂控制子系统，所述机械手为多自由度可伸缩机械臂，所述机械臂控制子系统通过步进电机控制所述机械手多自由度运动。

7.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为镜头模块时，所述镜头模块包括三个长焦距镜头。

8.根据权利要求1所述的模块化立方星结构，其特征在于，当所述有效载荷模块为通讯模块时，所述通讯模块包括大功率收发器天线，用于进行远程空间通信。

9.一种模块化立方星的组合电路，其特征在于，包括：

对接结构对应的接口电路以及各个有效载荷模块对应的功能电路；

在权利要求1至8任一项所述的模块化立方星结构进行组合时，通过所述接口电路将所述功能电路进行连接。