CN212211006U - 一种微纳卫星的星上电子系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微纳卫星的星上电子系统，包括第一电源控制器、第二电源控制器、第一星载计算机、第二星载计算机和遥测单元，第一星载计算机、第二星载计算机分别连接有第一执行组件和第二执行组件，第一执行组件和第二执行组件均能够单独完成卫星姿态控制，所述遥测单元包括VHF/UHF收发信机和L/UHF收发信机，在没有大幅增加卫星质量的前提下实现卫星和地面控制站的信息交互。本实用新型具有两套独立的控制系统，在其中一套控制系统故障时运行另一套，确保卫星运行的稳定性。

Description

一种微纳卫星的星上电子系统

技术领域

本实用新型涉及卫星航天领域，尤其涉及一种微纳卫星的星上电子系统。

背景技术

微纳卫星是现今航天领域的研究热点之一。随着微电子、计算机、微机电、精密加工等技术的发展，现代微纳卫星功能密度提高而成本降低。与一般的大卫星相比，以立方体卫星为代表的微纳卫星具有成本低、研发周期短、标准化、可组网运行等诸多优势。现阶段微纳卫星的星上电子系统具有如下特点：通常工作于较低数据率，使用UHF业余频段为主要通信频段来与地面通信，传输速率较低，并且控制卫星运行的控制系统单一，一旦关键部件出现故障，将会影响卫星的正常运行。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种微纳卫星的星上电子系统，具有两套独立的控制系统，确保卫星运行的稳定性。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种微纳卫星的星上电子系统，包括第一电源控制器、第二电源控制器、第一星载计算机、第二星载计算机和遥测单元，所述第一星载计算机和第二星载计算机通过系统总线连接，且第一星载计算机、第二星载计算机分别连接有第一执行组件和第二执行组件，第一执行组件和第二执行组件均能够单独完成卫星姿态控制，所述遥测单元包括VHF/UHF收发信机和L/UHF收发信机，所述VHF/UHF收发信机和L/UHF收发信机均通过系统总线连接第一星载计算机及第二星载计算机，用于实现微纳卫星和地面控制站的信息交互，所述第一电源控制器为第一星载计算机、第一执行组件及VHF/UHF收发信机供电，所述第二电源控制器为第二星载计算机、第二执行组件及L/UHF收发信机供电。

进一步，所述VHF/UHF收发信机包括VHF接收天线，所述VHF接收天线通过带通滤波器连接有ADF7021射频芯片，所述ADF7021射频芯片连接有音频编解码器，所述音频编解码器分别与IQ调制解调器及主份处理器连接，所述IQ调制解调器依次通过功率放大器、低通滤波器与UHF发射天线连接，所述主份处理器通过I2C总线分别与第一星载计算机和第二星载计算机连接。

进一步，所述主份处理器为基于ARM Cortex-M4内核的单片机STM32F405。

进一步，所述IQ调制解调器选用CMX973芯片。

进一步，所述遥测单元还包括红外相机，红外相机分别和第一星载计算机和第二星载计算机连接。

进一步，所述遥测单元还包括AIS收发机，所述AIS收发机分别和第一星载计算机和第二星载计算机连接。

进一步，所述第一执行组件包括与第一星载计算机连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器，所述第二执行组件包括与第二星载计算机连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器和GPS。

本实用新型的有益效果有：一种微纳卫星的星上电子系统，包括第一电源控制器、第二电源控制器、第一星载计算机、第二星载计算机和遥测单元，第一星载计算机、第二星载计算机分别连接有第一执行组件和第二执行组件，第一执行组件和第二执行组件均能够单独完成卫星姿态控制，所述遥测单元包括VHF/UHF收发信机和L/UHF收发信机，在没有大幅增加卫星质量的前提下实现微纳卫星和地面控制站的信息交互。本实用新型具有两套独立的控制系统，在其中一套控制系统故障时运行另一套，确保卫星运行的稳定性。

附图说明

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明，其中：

图1是本实用新型较优实施例中的星上电子系统的结构框图；

图2是本实用新型较优实施例中的VHF/UHF收发信机的结构框图。

具体实施方式

下面对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种微纳卫星的星上电子系统，包括第一电源控制器1、第二电源控制器2、第一星载计算机3、第二星载计算机4和遥测单元7，所述第一星载计算机3和第二星载计算机4通过系统总线连接，且第一星载计算机3、第二星载计算机4分别连接有第一执行组件5和第二执行组件6，第一星载计算机3、第二星载计算机4分别用于控制第一执行组件5和第二执行组件6，第一执行组件5和第二执行组件6均能够单独完成卫星姿态控制，所述遥测单元7包括VHF/UHF收发信机71和L/UHF收发信机，所述VHF/UHF收发信机71和L/UHF收发信机均通过系统总线连接第一星载计算机3及第二星载计算机4，用于实现微纳卫星和地面控制站的信息交互，第一星载计算机3及第二星载计算机4通过VHF/UHF收发信机71和L/UHF收发信机接收地面发送的指令及向地面发送卫星的运行信息及采集的数据，所述第一电源控制器1为第一星载计算机3、第一执行组件5及VHF/UHF收发信机71供电，所述第二电源控制器2为第二星载计算机4、第二执行组件6及L/UHF收发信机供电72。

第一电源控制器1、第一星载计算机3、第一执行组件5及VHF/UHF收发信机71为一组控制系统，第二电源控制器2、第二星载计算机4、第二执行组件6及L/UHF收发信机组成另一组控制系统，两组间供电相互隔离，通信总线共用，可独立完成平台功能或支持组内执行组件工作。星载计算机是系统总线上的主控制器，采用双机备份，采用热备份星上敏感器，亦可工作在冷备份，其工作模式由地面遥控指令及自主运行模式决定。默认第二星载计算机4为当班计算机，当其出现故障时，可自主切换至第一星载计算机3当班，亦可通过直接指令切换当班计算机。计算机之间通过系统总线连接，故各自连接的执行组件可供对方使用，提高系统可靠性。其它下位机和有效载荷控制器均连接在系统总线上，星载计算机通过系统总线采集其它分系统或有效载荷的遥测参数。遥控指令通过系统总线下达到有效载荷或分系统中，并由有效载荷和分系统解析执行。VHF/UHF收发信件机的上行遥控码速率1.2kbps，下行遥测码速率为1.2/9.6kbps；L/UHF收发信机72的下行遥测码速率为1.2/4.8kbps，上行遥控码速率1.2/19.2kbps，用于大量测试软件的上传。根据对主要控制设备与控制部件的统计，设计直接指令6条。遥测收发信机通过系统总线与星载计算机实现数据交换，在实现星地通信的同时，也完成星内通信功能。VHF/UHF收发信件机、L/UHF收发信机72共用圆极化下行天线，VHF/UHF收发信件机上行天线为展开式1/4波长鞭天线，L/UHF收发信机72上行天线为固定式微带天线。遥测单元7能通过信号接收天线接收地面站发射的上行遥控信号并进行解调，转化为直接指令并执行，或转化为外部指令，通过系统总线发送到中心计算机；能通过发射天线将中心计算机送来的或本机采集的工程遥测参数经调制后下传；采集遥测分系统自身的工程参数，通过系统总线发送至中心计算机；中心计算机发生异常时，自主下行遥测分系统的工程遥测参数；提供信标功能；支持载荷数据的上下行数传。

进一步，所述VHF/UHF收发信机71包括VHF接收天线711，所述VHF接收天线711通过带通滤波器712连接有ADF7021射频芯片713，所述ADF7021射频芯片713连接有音频编解码器714，所述音频编解码器714分别与IQ调制解调器716及主份处理器715连接，所述IQ调制解调器716依次通过功率放大器717、低通滤波器718与UHF发射天线719连接，所述主份处理器715通过I2C总线分别与第一星载计算机3和第二星载计算机4连接。VHF/UHF收发信机71能同时完成遥测与通信转发任务，需实现两路上行的同时接收与多种调制方式的下行。VHF/UHF遥测收发信机采用软件无线电和集成单片收发器结合的方案，实现了两路独立的下行通道和两路共用射频部分的上行通道，并在不大幅度增加质量、功耗的前提下实现冗余。

VHF天线拾取的信号经带通滤波器712后输入ADF7021射频芯片713，在ADF7021射频芯片713内部经过低噪放、IQ混频、低通滤波后将差分IQ信号输出给音频编解码器714采样。所述音频编解码器714为TLV320AIV3104芯片。带通滤波器712的作用是最大可能的滤除带外信号，避免低噪放过载，同时要求插入损耗尽量低，以免恶化噪声系数。V/U收发信机最严重的带外干扰来自于UHF发射机，因此使用对通带以上频率衰减效果较好的电感耦合型双调谐LC回路。通带中心频率145.6MHz，-3dB带宽40MHz，插入损耗1.4dB，435MHz衰减65.8dB，100MHz衰减13.1dB。音频编解码器714TLV320AIC3104使用左右声道分别处理IQ信号。TLV320AIC3104工作于96kHz或48kHz采样率，采样精度16位。音频编解码器714TLV320AIC3104对信号进行解码后传输至主份处理器715，主份处理器715选用ARMCortex-M4内核的单片机STM32F405。该单片机时钟频率最高为168MHz，提供双MAC、FPU等资源，信号处理能力较强。主份处理器715STM32F405通过I2S总线与TLV320AIC3104双工通信，交换上下行IQ数据流，STM32F405工作于主模式；通过I2C总线与其他分系统进行数据交互。主份处理器715STM32F405通过TTL串口与备份处理器ATMega328P进行数据交互；提供6路GPIO，可实现直接指令；外接一路TTL串口、一个GPIO与一次电源输出，用于调试或外接其他设备。同时，音频编解码器714STM32F405负责读取整板的电流电压遥测与功放温度。TLV320AIC3104生成的差分IQ信号经RC滤波滤除高频噪声分量后输入IQ调制解调器716，搬移频谱到所需的下行频率。IQ调制解调器716选用CMX973芯片，为集成了PLL的IQ调制解调器716，但仅使用了发射部分。CMX973内部的VCO工作在2倍本振频率，以降低功放对PLL可能的干扰。其PLL为整数PLL，使用500Hz带宽的环路滤波器。下行指令时，主份处理器把指令信息传输至音频编解码器714编译信号，然后将信息传至IQ调制解调器716调制信号，最后输出信号经功率放大器717、低通滤波器718放大和滤波后通过UHF发射天线719发射。

进一步，所述遥测单元7还包括红外相机74，红外相机74分别和第一星载计算机3和第二星载计算机4连接。红外相机74用于获取地面图像，并将获取的信息通过系统总线发送到当班的星载计算机，当班的星载计算机再通过VHF/UHF收发信件机或L/UHF收发信机72把信息下传地面。

进一步，所述遥测单元7还包括AIS收发机73，所述AIS收发机73分别和第一星载计算机3和第二星载计算机4连接，AIS收发机73用于飞机船舶无线信号的接收与处理，用来来接收和解码AIS报文并将信息转发给相应的地球站,从而让陆地管理机构掌握船舶的相关动态信息。所述第一执行组件5包括与第一星载计算机3连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器，所述第二执行组件6包括与第二星载计算机4连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器和GPS。

以上所述，只是本实用新型的较佳实施方式而已，但本实用新型并不限于上述实施例，只要其以任何相同或相似手段达到本实用新型的技术效果，都应属于本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：包括第一电源控制器(1)、第二电源控制器(2)、第一星载计算机(3)、第二星载计算机(4)和遥测单元(7)，所述第一星载计算机(3)和第二星载计算机(4)通过系统总线连接，且第一星载计算机(3)、第二星载计算机(4)分别连接有第一执行组件(5)和第二执行组件(6)，第一执行组件(5)和第二执行组件(6)均能够单独完成卫星姿态控制，所述遥测单元(7)包括VHF/UHF收发信机(71)和L/UHF收发信机(72)，所述VHF/UHF收发信机(71)和L/UHF收发信机(72)均通过系统总线连接第一星载计算机(3)及第二星载计算机(4)，用于实现微纳卫星和地面控制站的信息交互，所述第一电源控制器(1)为第一星载计算机(3)、第一执行组件(5)及VHF/UHF收发信机(71)供电，所述第二电源控制器(2)为第二星载计算机(4)、第二执行组件(6)及L/UHF收发信机供电(72)。

2.根据权利要求1所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述VHF/UHF收发信机(71)包括VHF接收天线(711)，所述VHF接收天线(711)通过带通滤波器(712)连接有ADF7021射频芯片(713)，所述ADF7021射频芯片(713)连接有音频编解码器(714)，所述音频编解码器(714)分别与IQ调制解调器(716)及主份处理器(715)连接，所述IQ调制解调器(716)依次通过功率放大器(717)、低通滤波器(718)与UHF发射天线(719)连接，所述主份处理器(715)通过I2C总线分别与第一星载计算机(3)和第二星载计算机(4)连接。

3.根据权利要求2所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述主份处理器(715)为基于ARM Cortex-M4内核的单片机STM32F405。

4.根据权利要求2所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述IQ调制解调器(716)选用CMX973芯片。

5.根据权利要求1所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述遥测单元(7)还包括红外相机(74)，红外相机(74)分别和第一星载计算机(3)和第二星载计算机(4)连接。

6.根据权利要求1所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述遥测单元(7)还包括AIS收发机(73)，所述AIS收发机(73)分别和第一星载计算机(3)和第二星载计算机(4)连接。

7.根据权利要求1所述的一种微纳卫星的星上电子系统，其特征在于：所述第一执行组件(5)包括与第一星载计算机(3)连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器，所述第二执行组件(6)包括与第二星载计算机(4)连接的飞轮、磁力矩器、精太阳敏感器、磁强计及温度传感器和GPS。

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