CN207225698U - 魔方卫星 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例提供了一种魔方卫星，包括本体，本体为镜面魔方结构，由若干个魔方块组成，在其中至少一个所述魔方块的内侧设有光谱成像设备，并且在镜面魔方结构变形过程中，所述光谱成像设备能够采集到魔方卫星外部空间的图像。该卫星借鉴镜面魔方特殊的结构特点，不仅能够实现对空间目标的长时间、多角度、全方位观测，还具备一定的变形和隐身能力。通过卫星上搭载的多个光谱成像设备，能够实现对单目标的跟踪监视和多目标的协同观测，并获取目标的特征信息，也可以通过多颗魔方卫星组网的形式，建立一套完整的天基监视系统，对提高我国空间态势感知能力具有重要意义。

Description

魔方卫星

技术领域

本实用新型涉及卫星技术领域，具体的说涉及一种魔方卫星。

背景技术

自1957年苏联将第一颗人造卫星送入太空以来，航天事业历经整整60年的发展，数以千计的卫星相继进入太空，为通信、导航、遥感、气象等领域的发展带来了颠覆性的变革。但是，这些卫星在给人类生活带来极大便利的同时，也同样带来了前所未有的问题和挑战。

随着在轨运行的卫星数量日益增长和人类空间活动的日趋频繁，空间目标的数量日益庞大，也使得空间环境变得更加复杂。环绕地球飞行的空间目标呈现出数量多、分布广的特点。这些空间目标的分布范围从离地球只有几百公里的低地球轨道延伸至距地球几万公里的地球同步轨道。近60年不同类型空间目标数量的变化趋势和空间目标总数量的变化趋势。总体上呈现出持续增长的总趋势，这不仅是由于卫星数量的逐年增长，还包括空间目标的自解体和空间目标之间的相互碰撞等原因。

太空环境的日益复杂性，不仅严重影响了人类正常的航天活动，还极大的威胁了在轨卫星的安全。2009年2月10日，美国的“铱33”卫星和俄罗斯的“宇宙2251”卫星发生碰撞，这是历史上首次卫星相撞事故。据美国方面报道，此次卫星相撞事件大约产生了数千个太空碎片，这些碎片分布在500公里到1300公里的太空中，对这一高度范围内所有卫星的安全都带来重大的威胁。

除上述重大空间安全事故外，大大小小严重程度不同的其他安全事故更是无时无刻不在发生，如何确保本国太空资源安全的问题变得愈发重要。为了应对太空威胁，避免空间事故，必须建立起一套完整的空间目标监视系统对空间目标进行探测跟踪识别，获取目标的轨道参数、外形结构、使用功能、光学红外雷达特性等特征信息，甚至获取这些目标的所有者的任务规划和行动企图信息，预知可能发生的潜在危险。这种对空间目标进行探测、识别并获取特征信息的行为就是空间态势感知(Space Situation Awareness)。利用空间态势感知，既能对本国在轨运行的卫星进行有效的保护，又可以对其他国家的卫星进行严密的监视，是确保空间安全稳定、获取空间优势的基石。

空间目标监视系统分为天基监视系统和地基监视系统两大类，美国的空间目标监视网(SSN)是目前观测能力最强的地基空间目标监视系统，最早可追溯到1957年。苏联在该年发射第一颗人造卫星时，美国便开始利用靶场经纬仪来对空间目标进行追踪探测。目前美国依靠地基雷达探测系统和光电探测系统，基本实现了对空间目标的探测与跟踪，其中雷达探测系统为中低轨道目标探测的主力探测器，如在1961年部署的空军空间监视系统(AFSSS)以及在1969年部署的埃格林雷达(Eglin Radar)。而在20世纪80年代早期部署的地基光电深空监视系统(GEODSS)以及在2011年部署的空间监视望远镜(SST)则是对高轨空间目标进行探测的主力成员，可用于高轨目标定轨和特征信息的获取。但是地基监视系统也有其天然的局限性：

1)单一地面站对空间目标尤其是中低轨目标观测弧段较短，若要达到较高定轨精度则需要数目多、分布广的地面站支持，即建立全球分布的测控网，成本相对较高。

2)地面设备在观测过程中容易受到大气传播抖动、蒙气差、电离闪烁等因素的影响。除此之外，地球曲率、天光背景、天气等条件的限制，使得地基监视系统无法做到全天时、全天候的监视。

3)由于受限于探测距离，地基观测还存在一个不足之处就是无法对高轨的空间目标实施有效观测。

为了弥补地基监视系统的缺陷，近些年来，美国在继续完善和发展地基探测系统的同时，开始了对天基监视系统的建设，分别在2003年及2005年发射了实验卫星XSS-10、XSS-11，验证了对低轨空间目标接近、绕飞、近距离观测的能力。在此之后美国发射了ANGELS卫星，可对地球静止轨道目标完成接近、绕飞及观测任务。可以说天基监视系统已经成为整个空间目标监视系统中的重要环节，是加强空间态势感知能力的必要组成部分。天基监视系统虽然一定程度上弥补了地基监视系统的缺陷，但由于当前天基监视系统的发展尚处于起步阶段，所以目前的天基监视卫星仍存在着一些不足之处：

1)单颗天基监视卫星无法同时观测多个方位的空间目标。当前多数的天基监视卫星均沿袭传统对地观测卫星的设计理念，观测载荷安装面单一，指向相对固定，而载荷的侧摆角度有限。当不同的空间目标与卫星的相对位置差异较大时，单颗卫星无法同时有效兼顾多个空间目标的观测任务。

2)对近距离目标不具备长时间跟踪监视的能力。在天基监视卫星与空间目标相对距离较近时，卫星整体姿态稳定而相机侧摆有限，所能提供的卫星对目标的观测弧段较短。而相对距离近导致两者相对角速度较大，所以观测时间也非常有限，无法很好得满足跟踪监视的需求。若对整星姿态进行机动来实现对目标的长时间跟踪观测，不仅机动速度慢而且代价高。

3)有效载荷长期暴露于电磁环境复杂的太空环境中，影响卫星的服役年限。当前天基监视卫星搭载的有效载荷，往往长期裸露在电磁环境复杂的太空环境中，载荷容易受到空间带电粒子和电磁辐射的影响，继而影响载荷的工作时间和卫星的有效寿命。

随着北斗卫星、高分系列卫星、风云系列卫星的陆续发射，我国在空间中的活动也变得日益频繁，但是我国仍不具备对空间目标进行连续、多维观测的能力，更缺乏一套完整的天基监视系统。

实用新型内容

鉴于以上所述的技术问题，本实用新型实施例提供了一种魔方卫星，满足我国对于建立天基监视系统的需求。

根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种魔方卫星，包括本体，本体为镜面魔方结构，由若干个魔方块组成，在其中至少一个所述魔方块的内侧设有光谱成像设备，并且在镜面魔方结构变形过程中，所述光谱成像设备能够采集到魔方卫星外部空间的图像。

所述光谱成像设备通过可扭转的方式连接在所述魔方块的内侧。

在所述魔方块的内侧设有滑轨，所述光谱成像设备可滑动地连接在所述滑轨上。

所述镜面魔方结构为二阶镜面魔方、三阶镜面魔方、四阶镜面魔方或以上。

在外表面相互垂直两个魔方块上各设有一个星敏感器，并且每个所述星敏感器与其所在的魔方块的外表面垂直安装。通过所述星敏感器对所述魔方卫星进行姿态确定。

当所述镜面魔方结构为三阶镜面魔方时，所述星敏感器安装在魔方外表面的中心位置的魔方块上。由于中心位置的魔方块之间的相互位置不变，所以利用这一特性使得星敏感器的视场方向相互垂直，从而保证星敏感器全任务周期可实现魔方卫星的姿态确定。星敏感器是最常用的姿态确定仪器之一，相对于太阳敏感器、磁强计、地平仪和陀螺仪等其他常见的姿态测量设备而言，星敏感器不仅姿态测量精度比较高，而且能够实现自主导航能力，抗干扰能力也比较强，目前是卫星上最主要的姿态测量仪器。

对应所述镜面魔方结构的六个表面，各设有一个飞轮，六个飞轮两两成对且同轴布置，并且两对飞轮之间的轴向垂直。

所述魔方卫星的各用电器件被分散布置于不同的魔方块，不同的魔方块之间通过无线传输单元实现电力、通信传输。

在所述魔方卫星的至少部分魔方块的外表面设有太阳能电池板，并且所述太阳能电池板与对应位于同一个魔方块上的电池组或电池单体电连接，所述电池组或电池单体对同一个魔方块上的用电器件通过有线传输的方式供电，对非同一个魔方块上的用电器件通过无线传输的方式供电。

所述魔方卫星，还包括控制系统，用于根据获取的目标的实时位置，判断目标所在的象限，确定光谱成像设备的成像方案，并确定魔方块的构型变换路径。

该卫星借鉴镜面魔方特殊的结构特点，不仅能够实现对空间目标的长时间、多角度、全方位观测，还具备一定的变形和隐身能力。通过卫星上搭载的多个光谱成像设备，能够实现对单目标的跟踪监视和多目标的协同观测，并获取目标的特征信息，也可以通过多颗魔方卫星组网的形式，建立一套完整的天基监视系统，对提高我国空间态势感知能力具有重要意义。

附图说明

从下面结合附图对本实用新型的具体实施方式的描述中可以更好地理解本实用新型，其中：

通过阅读以下参照附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显,其中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的特征。

图1是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的局部结构分解示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的局部结构示意图；

图4是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的局部结构示意图；

图5是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的飞轮结构示意图；

图6是本实用新型一实施例提供的魔方卫星的局部结构示意图。

具体实施方式

下面将详细描述本实用新型的各个方面的特征和示例性实施例。在下面的详细描述中，提出了许多具体细节，以便提供对本实用新型的全面理解。但是，对于本领域技术人员来说很明显的是，本实用新型可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本实用新型的示例来提供对本实用新型的更好的理解。本实用新型决不限于下面所提出的任何具体配置和算法，而是在不脱离本实用新型的精神的前提下覆盖了元素、部件和算法的任何修改、替换和改进。在附图和下面的描述中，没有示出公知的结构和技术，以便避免对本实用新型造成不必要的模糊。

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型更全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中，为了清晰，可能夸大了区域和层的厚度。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本实用新型的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型的主要技术创意。

如图1-2所示：根据本实用新型实施例的一个方面，提供了一种魔方卫星，包括本体100，本体100为镜面魔方结构，由若干个魔方块105组成，在其中至少一个所述魔方块105的内侧设有光谱成像设备200，并且在镜面魔方结构变形过程中，所述光谱成像设备能够采集到魔方卫星外部空间的图像。

如图2所示，所述光谱成像设备200通过可扭转的方式连接在所述魔方块的内侧。在所述魔方块的内侧设有滑轨205，所述光谱成像设备200可滑动地连接在所述滑轨上205，并且所述滑轨205呈弧形，使多光谱成像设备200能够实现一定角度范围内的侧摆，进而实现一个较大范围的多光谱成像。

所述多光谱成像设备200通常为多光谱相机，多光谱照相是指在可见光的基础上向红外光和紫外光两个方向扩展，并通过各种滤光片或分光器与多种感光胶片的组合，使其同时分别接收同一目标在不同的窄光谱带上所辐射或反射的信息，即可得到目标不同光谱带的照片。目前，为了获取空间目标的特性，一般是借助多光谱相机得到目标的可见光图像和红外图像，紫光图像应用的比较少。

所述镜面魔方结构为二阶镜面魔方、三阶镜面魔方(如图1-6所示)、四阶镜面魔方或以上。

在外表面相互垂直两个魔方块上各设有一个星敏感器300，并且每个所述星敏感器300与其所在的魔方块的外表面垂直安装。通过所述星敏感器对所述魔方卫星进行姿态确定。

如图3-4所示，当所述镜面魔方结构为三阶镜面魔方时，所述星敏感器300安装在魔方外表面的中心位置的魔方块上。由于中心位置的魔方块之间的相互位置不变，所以利用这一特性使得星敏感器的视场方向相互垂直，从而保证星敏感器全任务周期可实现魔方卫星的姿态确定。星敏感器是最常用的姿态确定仪器之一，相对于太阳敏感器、磁强计、地平仪和陀螺仪等其他常见的姿态测量设备而言，星敏感器不仅姿态测量精度比较高，而且能够实现自主导航能力，抗干扰能力也比较强，目前是卫星上最主要的姿态测量仪器。

如图5所示，对应所述镜面魔方结构的六个表面，各设有一个飞轮，六个飞轮两两成对且同轴布置，并且两对飞轮之间的轴向垂直。由于6个面中心块的体积大小不等，6个飞轮在体积、重量方面也相应地有所不同。当魔方卫星执行观测任务时，可利用飞轮进行局部模块旋转。由于“魔方”构型的特点，每次旋转的模块只能是6个面之一；由于6个面中心块均安装有飞轮，所以每个面的旋转是独立进行的，而不会影响其他模方块的位置和姿态。

所述魔方卫星的各用电器件被分散布置于不同的魔方块，不同的魔方块之间通过无线传输单元实现电力、通信传输。

在所述魔方卫星的至少部分魔方块的外表面设有太阳能电池板，并且所述太阳能电池板与对应位于同一个魔方块上的电池组或电池单体电连接，所述电池组或电池单体对同一个魔方块上的用电器件通过有线传输的方式供电，对非同一个魔方块上的用电器件通过无线传输的方式供电。太阳电池阵采用供电阵、充电阵一体化方案，光照期，太阳电池阵产生电能，分流和充电调节模块协同工作，向负载供电和电池组(电池单体)充电；阴影期，放电调节模块向负载供电。当光照期太阳电池阵不能满足瞬间大功率负载供电要求时，电池组(电池单体)通过放电调节模块与太阳电池阵联合为负载补充供电。

所述魔方卫星，还包括控制系统，用于根据获取的目标的实时位置，判断目标所在的象限，确定光谱成像设备的成像方案，并确定魔方块的构型变换路径。

该卫星借鉴镜面魔方特殊的结构特点，不仅能够实现对空间目标的长时间、多角度、全方位观测，还具备一定的变形和隐身能力。通过卫星上搭载的多个光谱成像设备，能够实现对单目标的跟踪监视和多目标的协同观测，并获取目标的特征信息，也可以通过多颗魔方卫星组网的形式，建立一套完整的天基监视系统，对提高我国空间态势感知能力具有重要意义。

本领域技术人员应能理解，上述实施例均是示例性而非限制性的。在不同实施例中出现的不同技术特征可以进行组合，以取得有益效果。本领域技术人员在研究附图、说明书及权利要求书的基础上，应能理解并实现所揭示的实施例的其他变化的实施例。在权利要求书中，术语“包括”并不排除其他装置或步骤；不定冠词“一个”不排除多个；术语“第一”、“第二”用于标示名称而非用于表示任何特定的顺序。权利要求中的任何附图标记均不应被理解为对保护范围的限制。权利要求中出现的多个部分的功能可以由一个单独的硬件或软件模块来实现。某些技术特征出现在不同的从属权利要求中并不意味着不能将这些技术特征进行组合以取得有益效果。

Claims (10)

1.一种魔方卫星，包括本体，其特征在于，本体为镜面魔方结构，由若干个魔方块组成，在其中至少一个所述魔方块的内侧设有光谱成像设备，并且在镜面魔方结构变形过程中，所述光谱成像设备能够采集到魔方卫星外部空间的图像。

2.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

所述光谱成像设备通过可扭转的方式连接在所述魔方块的内侧。

3.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

在所述魔方块的内侧设有滑轨，所述光谱成像设备可滑动地连接在所述滑轨上。

4.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

所述镜面魔方结构为二阶镜面魔方、三阶镜面魔方、四阶镜面魔方或以上。

5.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

在外表面相互垂直两个魔方块上各设有一个星敏感器，并且每个所述星敏感器与其所在的魔方块的外表面垂直安装；通过所述星敏感器对所述魔方卫星进行姿态确定。

6.如权利要求5所述的魔方卫星，其特征在于，

当所述镜面魔方结构为三阶镜面魔方时，所述星敏感器安装在魔方外表面的中心位置的魔方块上。

7.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

对应所述镜面魔方结构的六个表面，各设有一个飞轮，六个飞轮两两成对且同轴布置，并且两对飞轮之间的轴向垂直。

8.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

所述魔方卫星的各用电器件被分散布置于不同的魔方块，不同的魔方块之间通过无线传输单元实现电力、通信传输。

9.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

在所述魔方卫星的至少部分魔方块的外表面设有太阳能电池板，并且所述太阳能电池板与对应位于同一个魔方块上的电池组或电池单体电连接，所述电池组或电池单体对同一个魔方块上的用电器件通过有线传输的方式供电，对非同一个魔方块上的用电器件通过无线传输的方式供电。

10.如权利要求1所述的魔方卫星，其特征在于，

所述魔方卫星，还包括控制系统，用于根据获取的目标的实时位置，判断目标所在的象限，确定光谱成像设备的成像方案，并确定魔方块的构型变换路径。