CN210804952U - 可实现立方星功能的地面教育卫星 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可实现立方星功能的地面教育卫星，卫星包括两个卫星立方体框架、三个太阳能电池阵体装板、一个有机玻璃材质的壁板、位于两个卫星立方体框架内部的姿控板、星务计算机板和电源板，姿控板和电源板分别与星务计算机板通信连接；本实用新型的自上电模拟方法通过六轴传感器、气压计与磁强计的集成模块15的气压计三次采集教育卫星所在空间的读取气压值，判断两次气压差值是否在预设的气压变化阈值之内来决定是否满足自上电分离条件。本实用新型不仅可用于立方星的初级学者教育演示，又可以用于专业人员进行立方星的调试、设计、制造、操作和验证，功能强大，可模拟出卫星在轨真实飞行状态。

Description

可实现立方星功能的地面教育卫星

技术领域

本实用新型涉及立方星技术领域,具体涉及一种可实现立方星功能的地面教育卫星。

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，迫切需要加快卫星开发研制周期，特别是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活跃的研究方向，其标准尺寸为10×10×10cm的立方星，根据需要可扩展为2单元、3单元、6单元等结构以携带更多科学载荷。它具有功能扩展性好、快速组网、使用方便灵活等优点，其完成任务时间短，收效大，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行业内部人员或学习人员想要进行更多的立方星知识学习，然而在实际的卫星教育中，由于立方星造价昂贵，很多知识只能被迫停留在理论层面，无法进行深刻的实践演练。而近几年出现的卫星教育产品局限于进行简单的教学演示和理论框架模型，没有完全模拟卫星在轨真实飞行状态并可以供专业学习人员设计，制造，验证和操作的教育套件。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种可以实际操作的可实现立方星功能的地面教育卫星，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。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种可实现立方星功能的地面教育卫星，包括两个卫星立方体框架、三个太阳能电池阵体装板、一个有机玻璃材质的壁板、位于两个卫星立方体框架内部的姿控板、星务计算机板和电源板，所述两个卫星立方体框架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和一个有机玻璃材质的壁板分别固定安装于所述四个安装面上，姿控板和电源板分别与星务计算机板通信连接；

所述姿控板包括姿控基板和安装于所述姿控基板上的六轴传感器、气压计与磁强计的集成模块，动量轮模块，两个磁矩棒；所述星务计算机板包括星务计算机基板和安装于所述星务计算机基板上的星务计算机主控模块、Lora无线通信模块及天线、GPS定位模块、相机和Micro SD卡内存存储模块；所述电源板包括电源基板和安装于所述电源基板上的蓄电池和电压转换模块。

进一步地，还包括四根螺纹杆和多个立柱，所述两个卫星立方体框架的顶部和底部各设置有四个螺纹孔，所述四根螺纹杆穿过顶部的螺纹孔、姿控板、星务计算机板、电源板和底部的螺纹孔设置，所述姿控板、星务计算机板和电源板之间的螺纹杆的外部均套设有立柱。

进一步地，还包括有机玻璃顶板，所述有机玻璃顶板位于所述两个卫星立方体框架的顶部。

进一步地，所述姿控板、星务计算机板和电源板自上而下依次设置，所述四根螺纹杆穿过有机玻璃顶板设置且在所述姿控板与所述有机玻璃顶板之间的螺纹杆的外部均套设有立柱。

进一步地，所述有机玻璃材质的壁板正对相机设置。

进一步地，所述姿控板还包括安装于姿控基板上的第一PC104排座、第一LED灯和Molex接口。

进一步地，所述星务计算机板还包括安装于星务计算机基板上的第二PC104排座、I2C总线接口、第一USART串口、Micro SD卡内存存储模块、SPI接口、第二LED灯和DEBUG测试接口。

进一步地，所述电源板(7)还包括安装于电源基板上的第三PC104排座、蓄电池充电接口、第二USART串口、AD转换模块。

相比于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型与真实卫星相比，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，本实用新型提供两种使用方法，适用于不同层次人员学习，不仅可以用于初级学习，也可以用于专业人士的研发工作，可以由浅入深的进行学习；

(2)本实用新型与现有教育卫星相比，不仅能够进行简单的教学演示和理论框架模型，更具备真实性，本实用新型具备与真实立方星相同的系统组成与功能，能够完全模拟卫星在轨真实飞行状态；

(3)本实用新型预留丰富的接口，学习人员可以通过编程对卫星部分或整体功能进行自主设计，并通过这些接口对立方星的功能进行测试与调试，实现了嵌入式软件与航天技术的结合；

(4)实用新型提供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。

附图说明

图1是本实用新型可实现立方星功能的地面教育卫星的系统工作框图。

图2是本实用新型可实现立方星功能的地面教育卫星的总体结构图。

图3是本实用新型可实现立方星功能的地面教育卫星的结构分解图。

图4是立方星姿控板结构图。

图5是立方星星务计算机板结构图。

图6是立方星电源板结构图。

图中：1.有机玻璃顶板，2.螺纹孔，3.太阳能电池阵体装板，4.立方体框架，5.姿控板，6.星务计算机板，7.电源板，8.姿控基板，9.有机玻璃材质的壁板，10.螺纹杆，11.立柱，12.磁矩棒，13.第一LED灯，14.Molex接口，15.六轴传感器、气压计与磁强计的集成模块，16.第一PC104排座，17.动量轮模块，18.I2C总线接口，19.星务计算机主控模块，20.GPS定位模块，21.第一USART串口，22.Micro SD卡内存存储模块，23.Lora无线通信模块及天线，24.SPI接口，25.第二LED灯，26.相机，27.DEBUG测试接口，28.蓄电池充电接口，29.第二USART串口，30.蓄电池，31.跳线帽，32.AD转换模块，33.电压转换模块,34.星务计算机基板,35.电源基板,36.第二PC104排座，37.第三PC104排座。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员能够更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图对本实用新型作进一步的详细介绍。

结合图1-6，本实施例中的一种可实现立方星功能的卫星地面教育套件的结构为立方体框架。卫星立方体框架4由一对对称的框架组成，框架内部装有分离开关8。使整星电路联通后，第一LED灯13和第二LED灯25亮起表示系统供电正常。立方体框架顶板1及立方体相机26镜头的一侧为有机玻璃材质的壁板9，其余三面侧壁为太阳能电池阵体装板3。框架预留螺纹孔2。太阳能电池阵体装板3引出电源线与电源板7供电模块连接，既可为整星储存电能并供电，又可用电压表测压测流，可以让学习人员清楚地了解太阳能电池阵的工作原理。

立方星内部由姿控板5、星务计算机板6和电源板7组成。板间由框架螺纹杆10串联，并配有立柱11支撑保证板间间距，姿控板和电源板分别与星务计算机板通过PC104排座通信连接。

顶层为姿控板5。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、气压计与磁强计的集成模块15，动量轮模块17，两个磁矩棒12。第一LED灯13集成在姿控基板8上。六轴传感器测定卫星姿态，测量数据传回星务计算机主控模块19处理。气压计测量立方星所处环境气压，监测并将数据传回星务计算机主控模块19处理。磁强计敏感器测量卫星本体坐标系下的磁场强度和方向。星务计算机主控模块19将六轴传感器15传回的卫星姿态通过Lora无线通讯模块23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无线通讯模块23上行指令给星务计算机主控模块19，星务计算机主控模块19控制动量轮模块17及两个磁矩棒12实施具体指令模拟卫星姿态调整的过程。立方星顶板1采用透明有机玻璃材质，可清晰看到姿控模块结构以及动量轮17的转动情况。给卫星供电后，LED灯13亮起提示卫星姿控板供电正常。

第二层PCB板为星务计算机板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26，Micro SD卡内存存储模块22，第二LED灯25，预留JTAG/SWD及I2C接口18。星务计算机主控模块19，GPS定位模块20，相机26分别通过排座与星务计算机基板34进行连接，Micro SD卡卡槽固定在星务计算机基板34的背面，其中装有弹簧实现Micro SD卡的插拔。立方星中相机摄像头面对的一侧板采用透明有机玻璃材质9，可清晰看到立方星内部结构，玻璃板表面挖洞，天线伸出立方体外。星务计算机主控模块19不仅担负着卫星数据的处理功能，而且还需要完成星上设备状态检测、卫星姿态控制、传感器数据采集以及执行各种搭载实验的任务，姿控板和电源板分别与星务计算机板通过PC104排座通信连接。本实用新型的星务分系统保证整个系统的正常运行。Lora无线通信模块及天线23配合地面站进行数据的上行、下行指令发布，实现地面站与星上信息互联。GPS定位模块20对卫星位置进行监控。星务计算机基板34上装有有效载荷，具体为相机26，可实现拍照功能。相机拍照后将图片自动发送并存储于Micro SD卡内存存储模块22。LED灯25可显示星务计算机板6通电及工作情况。星务计算机板6上预留I2C接口18，可供地面测试使用。

第三层板为电源板7，包括电源基板35和安装于所述电源基板上的蓄电池30、电压转换模块33、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。太阳能电池阵3、蓄电池组30均可以为整星进行供电。蓄电池30固定于电池板背面。太阳能电池阵和蓄电池组之间串联功率调节单元，实现对太阳能最大功率点的追踪；并联分流模块，实现对蓄电池的过充保护以及母线过压保护。卫星采用单一不调节母线，母线电压即蓄电池组电压，范围为6.5～8.4V。当母线电压小于下限值6.5V时，欠压锁存模块将母线切断，整星断电，直到将蓄电池电压充到6.7V时，母线自动重启。母线上同时还兼有供地面测试的接口。并采用AD转换模块32将电流、电压以及温度信息通过SPI总线传输到星务计算机主控模块19，完成分系统遥测量的采集。电压转换模块33采用DC/DC转换器，母线电压在6.5V～8.4V，采用拓扑为降压型的转换器为负载供电5V或3.3V，同时防止短路。

本实用新型中立方星的星务计算机主控模块19基于ARM Cortex-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。

一单元卫星本体预留广泛的I/O设备接口，通过多个预分频器可以分别配置的两条AHB总线，高速总线APB(APB2)和低速总线APB(APB1)。选用Micro SD Card即TF卡作为系统存储器。TF卡包含4根数据线(DATA0-3)，1根时钟线(CLK)和1根控制命令线(CMD)，它们分别连接到主控模块对应引脚。TF卡的数据传输遵循SD 2.0协议。立方星利用I2C总线来进行多个系统模块之间数据的传输。为保证最小系统和系统功能更加完善，还进行了晶振电路，复位电路，过流保护电路、温度监控电路、电流电压监控电路的设计，另外为了方便进行桌面调试，设计了JTAG/SWD接口电路。

本实用新型还提供了一种根据上述所述的地面教育卫星的自上电模拟方法，所述地面教育卫星位于一气压可调节的空间内，所述方法包括以下步骤：

步骤1、由所述六轴传感器、气压计与磁强计的集成模块15的气压计采集教育卫星所在空间的读取气压值P1；

步骤2、延迟时长t1(例如20秒)后，由气压计采集教育卫星所在空间的读取气压值P2；

步骤3、延迟时长t2(例如20秒)后，由气压计采集教育卫星所在空间的读取气压值P3；

步骤4、星务计算机主控模块19计算P1与P2差值的绝对值ξ1和P2与P3差值的绝对值ξ2，并判断ξ1与预设的第一气压变化阈值e1的大小关系以及ξ2与预设的第二气压变化阈值e2的大小关系，若满足上电条件，则蓄电池30通过电压转换模块33向卫星上电，卫星开始工作，所述上电条件为ξ1＜e1且ξ2＜e2，若不满足所述上电条件，则返回步骤1。实际的卫星在发射至太空中时，处于真空环境因此随着卫星继续飞行其所在周围的环境的压力基本保持不变，此时卫星满足上电分离条件，因此本实用新型其中一个功能即为模拟这样的情况以实现卫星的自分离上电，采集三次气压值，两次气压差值都在预设的气压变化阈值之内时，说明卫星已处于太空中满足上电分离条件，该自上电方法新颖、简单、操作便捷。

本实用新型中描述的可实现立方星功能的教育卫星配合相应地面演示终端使用，地面演示终端向卫星发送上行指令和接受卫星发送的下行数据。

本实用新型描述的可实现立方星功能的教育卫星配套有地面演示终端，地面演示终端可以收到Lora无线通讯模块传回的卫星数据，包括立方星所处环境气压、位置、姿态等信息以及相机所传回的照片等。地面演示终端也可通过Lora无线通讯模块上行指令给卫星，包括对磁强计发送指令、改变姿态及角度、发送拍照指令等。本实用新型中描述的可实现立方星功能的教育卫星已配有通过测试的程序，可直接供学习人员使用，学习人员只需点击界面上相应的按键即可完后对立方星指令的发送。

本实用新型套件中的立方星上预留丰富的接口。其中包括I2C总线接口18、USART1串口121、USART3串口329、SPI2接口24、DEBUG测试接口27等。学习人员可以通过编程对卫星部分或整体功能进行自主设计，并通过这些接口对立方星的功能进行测试与调试，实现了嵌入式软件与航天技术的结合。

本实用新型不仅可用于立方星的初级学者教育演示，又可以用于专业人员进行立方星的调试、设计、制造、操作和验证。本实用新型套件可模拟实现标准立卫星的功能，包括星上供电情况检测、气压测量、対地通信、卫星定位、姿态测量以及调整等。本实用新型也可用于卫星的设计制造，验证和集成等操作。

本实用新型受众广泛，对于不同人群可有以下两种使用方式。

对于初学者，本实用新型可利用已有地面演示终端，对立方星进行所处环境气压、位置、姿态等信息的收集，也可实现拍照、存储并发送数据、改变卫星的姿态等功能演示。学习人员只需点击地面演示终端上相应的按键即可完后对立方星的操作。

对于已有良好基础的学习人员，学习人员可以通过编程对卫星部分或整体的功能进行自主设计，本实用新型套件中的立方星上预留丰富的接口，学习人员可以通过这些接口对立方星功能进行调试，实现了嵌入式与航天技术的结合。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于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、气压计与磁强计的集成模块(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(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(30)和电压转换模块(33)。

2.根据权利要求1所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，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)。

3.根据权利要求2所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，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。

4.根据权利要求3所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，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)。

5.根据权利要求1-4任一项所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，所述有机玻璃材质的壁板(9)正对相机(26)设置。

6.根据权利要求5所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，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)。

7.根据权利要求5所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，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)。

8.根据权利要求5所述的可实现立方星功能的地面教育卫星，其特征在于，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)。

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