CN220933665U - 一种卫星教学演示装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种卫星教学演示装置，包括悬浮展示底座和教学卫星，所述悬浮展示底座上设有支架和安装在支架上的悬臂，所述悬臂的底部设有用于控制教学卫星悬浮的悬浮控制组件，所述悬浮控制组件包括磁吸线圈和用于控制磁吸线圈的控制电路板；所述教学卫星的顶部设有带有铷磁铁的悬浮接口组件，所述教学卫星通过悬浮接口组件悬浮布置在磁吸线圈的下部，所述教学卫星包括框架结构，所述框架结构的外部设有可打开的舱板组件，所述框架结构内部设有电路单元。本实用新型旨在方便地实现卫星教学所需的各类姿态变化展示，以及便于对于卫星观察内部构造、了解工作状态以及开展教学展示。

Description

一种卫星教学演示装置

技术领域

本实用新型涉及微小卫星设计领域，具体涉及一种卫星教学演示装置。

背景技术

在航天科普教学中，卫星作为常见航天器极具代表性，当前“星链”、“一网”、“行云”等微小型卫星构建的低轨星座得到快速发展和应用，其示范引领作用掀起对微小卫星的学习和研究热潮，并对用于航天教学推广的教学立方星(Teaching CubeSat)产生了较大的市场需求。立方星是一个结构形状呈立方体的微小卫星，这种卫星虽然重量轻、体积小，但是能够搭载一定的空间实验载荷开展科学实验，且价格低廉，利于编队协同工作和实现技术迭代更新。当前立方星采用商用现货部件和标准、模块化的设计、成本低、功能密度大、研制周期短，为更多人开展科学研究和技术开发提供了可能，但是现有立方星仍然成本较高，例如最简单的1U立方星平台普遍达到10万元以上，不利于教学和推广应用。当前仅有部分应用于教学模拟卫星的设计，但是这些设计主要对立方星的外观、星体结构和板间连接形式进行了设计，没有对具体的系统实现方式展开设计。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种卫星教学演示装置，本实用新型旨在方便地实现卫星教学所需的各类姿态变化展示，以及便于对于卫星观察内部构造、了解工作状态、开展教学展示等。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种卫星教学演示装置，包括悬浮展示底座和教学卫星，所述悬浮展示底座上设有支架和安装在支架上的悬臂，所述悬臂的底部设有用于控制教学卫星悬浮的悬浮控制组件，所述悬浮控制组件包括磁吸线圈和用于控制磁吸线圈的控制电路板；所述教学卫星的顶部设有带有铷磁铁的悬浮接口组件，所述教学卫星通过悬浮接口组件悬浮布置在磁吸线圈的下部，所述教学卫星包括框架结构，所述框架结构的外部设有可打开的舱板组件，所述框架结构内部设有电路单元。

可选地，所述电路单元包括多个电路板卡，所述多个电路板卡之间通过总线接口相互连接形成教学卫星。

可选地，所述框架结构上设有多组导轨，所述多个电路板卡分别插接在导轨中。

可选地，所述框架结构包括顶舱板、底舱板以及设于顶舱板、底舱板之间的四根连接柱，所述悬浮接口组件设于顶舱板的顶部，所述导轨的左右两侧的轨道各安装固定在两根连接柱上。

可选地，所述舱板组件包括后舱板、左舱板、右舱板和两个前半舱板，所述后舱板固定在四根连接柱的后部，左舱板通过铰链安装在四根连接柱的左侧后部，右舱板通过铰链安装在四根连接柱的右侧后部，且两个前半舱板中一个前半舱板通过铰链安装在左舱板上并通过左舱板与连接柱间接连接，另一个前半舱板通过铰链安装在右舱板上并通过右舱板与连接柱间接连接。

可选地，所述后舱板、左舱板、右舱板和两个前半舱板中的部分或全部的表面设有太阳能电池板。

可选地，所述多个电路板卡分别包括飞轮板、通信载荷板、主控板、电源板以及电池板，所述飞轮板上设有相互连接的角动量飞轮模组和总线接口，所述飞轮板、通信载荷板、主控板、电源板以及电池板之间通过总线接口相连。

可选地，所述通信载荷板上设有摄像头、图像传输模块、LoRa通信模块、温度传感器和总线接口，所述摄像头、图像传输模块相互连接，所述图像传输模块、LoRa通信模块、温度传感器和总线接口相连。

可选地，所述主控板上设有主控芯片、高度计、GPS/北斗模块、陀螺仪、电压采集分压采样电路、下载调试接口、LED状态灯、屏幕接口、电源供电电路、温度传感器和总线接口，所述高度计、GPS/北斗模块、陀螺仪、电压采集分压采样电路、下载调试接口、LED状态灯、屏幕接口、电源供电电路、温度传感器分别与主控芯片相连，所述主控芯片与总线接口相连。

可选地，所述电源板上包括变压模块和总线接口，所述变压模块的输入端、输出端均分别和总线接口相连，所述变压模块包括多种不同直流电压变换级别的直流-直流变压模块；所述电池板包括太阳能充电控制板、电池、外部充电接口、温度传感器、电流传感器和总线接口，所述太阳能充电控制板和太阳能电池板相连，所述太阳能充电控制板、外部充电接口的输出端分别与电池相连，电流传感器用于检测太阳能充电控制板和电池的输出端电流，所述电池、温度传感器、电流传感器分别和总线接口相连。

和现有技术相比，本实用新型主要具有下述优点：

1、本实用新型教学卫星的顶部设有带有铷磁铁的悬浮接口组件，所述教学卫星通过悬浮接口组件悬浮布置在磁吸线圈的下部，可利用磁悬浮技术直接将教学卫星悬浮起来，便于教学所需的各类姿态变化展示。

2、本发明教学卫星包括框架结构，所述框架结构的外部设有可打开的舱板组件，所述框架结构内部设有电路单元，舱板组件可以方便解锁打开，以便于观察内部构造、了解工作状态、开展教学展示。

附图说明

图1为本实用新型实施例的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例中教学卫星的展开状态的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中电路板卡的结构分布示意图。

图4为本实用新型实施例中飞轮板的布局结构示意图。

图5为本实用新型实施例中通信载荷板的布局结构示意图。

图6为本实用新型实施例中主控板的布局结构示意图。

图7为本实用新型实施例中电源板的布局结构示意图。

图8为本实用新型实施例中电池板的布局结构示意图。

图例说明：1、悬浮展示底座；11、支架；12、悬臂；13、磁吸线圈；2、教学卫星；20、悬浮接口组件；21、框架结构；211、顶舱板；212、底舱板；213、连接柱；22、导轨；23、舱板组件；231、后舱板；232、左舱板；233、右舱板；234、半舱板；3、飞轮板；31、角动量飞轮模组；4、通信载荷板；41、摄像头；42、图像传输模块；43、LoRa通信模块；5、主控板；51、主控芯片；52、高度计；53、GPS/北斗模块；54、陀螺仪；55、电压采集分压采样电路；56、下载调试接口；57、LED状态灯；58、屏幕接口；59、电源供电电路；6、电源板；61、变压模块；7、电池板；71、太阳能充电控制板；72、电池；73、外部充电接口。

具体实施方式

如图1和图2所示，本实施例的卫星教学演示装置包括悬浮展示底座1和教学卫星2，悬浮展示底座1上设有支架11和安装在支架11上的悬臂12，悬臂12的底部设有用于控制教学卫星2悬浮的悬浮控制组件，悬浮控制组件包括磁吸线圈13和用于控制磁吸线圈13的控制电路板；教学卫星2的顶部设有带有铷磁铁的悬浮接口组件20，教学卫星2通过悬浮接口组件20悬浮布置在磁吸线圈13的下部，教学卫星2包括框架结构21，框架结构21的外部设有可打开的舱板组件23，框架结构21内部设有电路单元。本实施例中悬浮接口组件20为可拆卸结构，因此支持安装多种转换接口，可灵活配合其他教学系统开展拓展的教学实验。如可拆除悬浮接口组件20，替换安装配套的降落伞安装教学火箭适配接口，融入水火箭发射教学系统，即可执行立方星发射与伞降回收任务。

为了便于教学卫星2的维护和教学，本实施例中电路单元采用板卡的模块化涉及，具体包括多个电路板卡，多个电路板卡之间通过总线接口相互连接形成教学卫星2。

为了便于电路板卡的安装和维护，如图2所示，本实施例中框架结构21上设有多组导轨22，多个电路板卡分别插接在导轨22中，利用导轨22可方便地实现对电路板卡的插拔，安装拆卸快捷方便，而且通过间隙的设计以及在导轨22中加入弹性部件的设计，进一步保证连接的牢固可靠。

如图2所示，本实施例中框架结构21包括顶舱板211、底舱板212以及设于顶舱板211、底舱板212之间的四根连接柱213，悬浮接口组件20设于顶舱板211的顶部，导轨22的左右两侧的轨道各安装固定在两根连接柱213上。

如图2所示，本实施例中舱板组件23包括后舱板231、左舱板232、右舱板233和两个前半舱板234，后舱板231固定在四根连接柱213的后部，左舱板232通过铰链安装在四根连接柱213的左侧后部，右舱板233通过铰链安装在四根连接柱213的右侧后部，且两个前半舱板234中一个前半舱板234通过铰链安装在左舱板232上并通过左舱板232与连接柱213间接连接，另一个前半舱板234通过铰链安装在右舱板233上并通过右舱板233与连接柱213间接连接，通过上述结构，可使得舱板组件23两侧完全打开，直接查看教学立方星内部结构，使得板卡调试和教学效果更便利，此外还可以进一步在固定的侧舱板位置增加电源开关、电源状态灯和心跳信号灯等安装孔位，以便利教学立方星的调试教学。为了便于太阳能电池的展示和测试，本实施例中后舱板231、左舱板232、右舱板233和两个前半舱板234中的部分或全部的表面设有太阳能电池板(图中省略未绘出)。

需要说明的是，图3中多个电路板卡为了简约仅仅绘制了三张电路板卡。如图3所示，本实施例中多个电路板卡分别包括飞轮板3、通信载荷板4、主控板5、电源板6以及电池板7，如图4所示，飞轮板3上设有相互连接的角动量飞轮模组31和总线接口(图4中右侧黑色接口，采用连接器拔插即可实现总线连接)，飞轮板3、通信载荷板4、主控板5、电源板6以及电池板7之间通过总线接口相连。电路板卡之间采用层叠安装的方式，电路板卡间使用标准的立方星接口连接器进行连接，电路板卡之间使用螺柱进行限位与固定，电路板卡的数量可以根据需要灵活配置。电路板卡之间的总线连接是通过上层连接器的针与下层连接器的孔相互咬合相连，这种层叠封装有极好的抗震性，十分适合立方星的设计。总线接口采用2*25/2.54mm间距的长脚耐高温镀金母插座，包含50根引脚以用于传输各个电路板卡的信号或电源。

飞轮板3负责调整卫星的姿态，该主板结构简单由一个角动量飞轮模组31与总线接口组成。角动量飞轮模组31由电机，电调，轮组一体化构成，受展示机构限制，本实施例中只能支持单轴(Z)调整。此外，也可以根据需要扩展为支持更多轴的调整。

通信载荷板4主要负责星地测控通信与视频数据下传的功能，由总线接口电路(包括测控，载荷设备的供电与通信以及温度采集)、星地测控通道(采用两片900M的LoRa模块作为主备份测控通道，其中TMTC_A为主分，TMTC_B为备份)、卫星载荷单元(相机与5.8GHz视频传输模块(图传)构成)。如图5所示，本实施例中通信载荷板4上设有摄像头41、图像传输模块42(5.8G)、LoRa通信模块43、温度传感器和总线接口(图5中右侧黑色接口，采用连接器拔插即可实现总线连接)，摄像头41、图像传输模块42相互连接，图像传输模块42、LoRa通信模块43、温度传感器和总线接口相连。参见图5可知，考虑到射频功率件发热情况，本实施例中通信载荷板4上的温度传感器采用型号为DS18B20型温度传感器，且数量为四个(可根据实际需要设计)。通信载荷板4与真实图像采集卫星上的载荷功能基本一直，需要为通过摄像头41采集图像，并增加了通信功能和总线接口，支持组网通信，功能升级简单。而且，本实施例的卫星教学演示装置成本低，利于规模化部署，通过组网形成星座，协同工作，提升工作效能，支持多星自组网功能的开发与验证。LoRa通信模块43组成主备分星地测控通道，摄像头41采集到视频信号送到图像传输模块42，经内部5.8G调制由天线发射，然后地面端在同频率下解调出视频画面。

主控板5是卫星的大脑，负责整星的数据与逻辑处理。如图6所示，本实施例中主控板5上设有主控芯片51、高度计52、GPS/北斗模块53、陀螺仪54、电压采集分压采样电路55、下载调试接口(JTAG)56、LED状态灯57、屏幕接口58、电源供电电路59、温度传感器和总线接口，高度计52、GPS/北斗模块53、陀螺仪54、电压采集分压采样电路55、下载调试接口56、LED状态灯57、屏幕接口58、电源供电电路59、温度传感器分别与主控芯片51相连，主控芯片51与总线接口相连。参见图6可知，本实施例中主控板5上的温度传感器采用型号为DS18B20型温度传感器。本实施例中，主控芯片51采用ARM主控芯片(STM32F405)，其附带有复位电路，时钟电路(RTC:32.768kzh+CLOCK:8M)等，其中BOOT模式选择单元的正常模式是：boot0，boot1均设置为低电平，否则程序会出现异常。为了节约总线资源将电压采集电路设计到主控板中，其中电压采集分压采样电路55采样的卫星遥测量包含母线电压和二次电源电压；高度计52采用BME280，陀螺仪54采用HWT101，GPS/北斗模块53采用ATGM336H，状态灯由电源指示灯与心跳信号灯构成的。

电源板6主要负责整星的二次电源供电输出，其功能是将12V电池电压通过电压转换模块给各单元提供适配电压，同时星务主控板能控制各组电压的输出使能。如图7所示，本实施例中电源板6上包括变压模块61和总线接口，变压模块61的输入端、输出端均分别和总线接口相连，变压模块61包括多种不同直流电压变换级别的直流-直流变压模块，参见图7可见，分布包括5V2A/9V3A/9V1A，一个5V2A用于通用供电，一个5V2A用于摄像头41供电，9V3A用于为角动量飞轮模组31供电，9V1A用于为图像传输模块42供电，且用于摄像头41供电的5V2A、用于为图像传输模块42供电的9V1A的直流-直流变压模块的输入端带有开关以用于实现节能控制。本实施例中，各直流-直流变压模块输出端都设计有一个LED灯作为输出状态显示，用于调试时判断之用)、开关支持远程控制输出功能，利用该功能可设计一键卫星重启功能以及各二次电源的输出通断控制。

电池板7的主要功能是为整星提供12V母线电压，以及电池的充放电管理，同时板卡设计了充电接口支持外部充电功能。如图8所示，本实施例中电池板7包括太阳能充电控制板71、电池72、外部充电接口73、温度传感器、电流传感器和总线接口，太阳能充电控制板71和太阳能电池板相连，太阳能充电控制板71、外部充电接口73的输出端分别与电池72相连，电流传感器用于检测太阳能充电控制板71和电池72的输出端电流，电池72、温度传感器、电流传感器分别和总线接口相连。参见图8可知，本实施例中电池板7上的温度传感器采用型号为DS18B20型温度传感器(该芯片采用单总线通信方式)，电流传感器采用ACS712电流传感器，检测范围0-3A,该芯片能有效抵抗强磁，解决了在磁浮平台展示时的强磁干扰问题)。电池72为一块3S的18650电池组。

综上所述，本实施例的卫星教学演示装置具备悬浮动态展示与交互控制功能，且通过采用商业器件可控制总成本比当前市场最廉价立方星设备降低一个数量级，具有良好教学展示功能、良好扩展应用功能，系统静态/动态展示度更好，通过悬浮动态展示、灯光展示和屏显展示等辅助效果，确保教学系统工作时具有较强的高科技感，提升航天爱好者的学习兴趣；而且实施例的卫星教学演示装置可快速移植到对应高可靠等级立方星上，实现快速原型设计与发射应用。实施例的卫星教学演示装置采用模块化配置，简单易学，支持安装多种转换接口，可灵活配合其他教学系统开展拓展的教学实验；教学立方星应与真实立方星在结构设计、内部组成、电气接口、指令协议、星上软件及地面开发套件等部组件应保持较高的一致性，便于直接移植应用，从而实现快速原型开发；支持通过组网形成星座，协同工作，提升工作效能；支持多种配置方案，可选配不同组件进行升级。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种卫星教学演示装置，其特征在于，包括悬浮展示底座(1)和教学卫星(2)，所述悬浮展示底座(1)上设有支架(11)和安装在支架(11)上的悬臂(12)，所述悬臂(12)的底部设有用于控制教学卫星(2)悬浮的悬浮控制组件，所述悬浮控制组件包括磁吸线圈(13)和用于控制磁吸线圈(13)的控制电路板；所述教学卫星(2)的顶部设有带有铷磁铁的悬浮接口组件(20)，所述教学卫星(2)通过悬浮接口组件(20)悬浮布置在磁吸线圈(13)的下部，所述教学卫星(2)包括框架结构(21)，所述框架结构(21)的外部设有可打开的舱板组件(23)，所述框架结构(21)内部设有电路单元。

2.根据权利要求1所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述电路单元包括多个电路板卡，所述多个电路板卡之间通过总线接口相互连接形成教学卫星(2)。

3.根据权利要求2所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述框架结构(21)上设有多组导轨(22)，所述多个电路板卡分别插接在导轨(22)中。

4.根据权利要求3所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述框架结构(21)包括顶舱板(211)、底舱板(212)以及设于顶舱板(211)、底舱板(212)之间的四根连接柱(213)，所述悬浮接口组件(20)设于顶舱板(211)的顶部，所述导轨(22)的左右两侧的轨道各安装固定在两根连接柱(213)上。

5.根据权利要求4所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述舱板组件(23)包括后舱板(231)、左舱板(232)、右舱板(233)和两个前半舱板(234)，所述后舱板(231)固定在四根连接柱(213)的后部，左舱板(232)通过铰链安装在四根连接柱(213)的左侧后部，右舱板(233)通过铰链安装在四根连接柱(213)的右侧后部，且两个前半舱板(234)中一个前半舱板(234)通过铰链安装在左舱板(232)上并通过左舱板(232)与连接柱(213)间接连接，另一个前半舱板(234)通过铰链安装在右舱板(233)上并通过右舱板(233)与连接柱(213)间接连接。

6.根据权利要求5所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述后舱板(231)、左舱板(232)、右舱板(233)和两个前半舱板(234)中的部分或全部的表面设有太阳能电池板。

7.根据权利要求6所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述多个电路板卡分别包括飞轮板(3)、通信载荷板(4)、主控板(5)、电源板(6)以及电池板(7)，所述飞轮板(3)上设有相互连接的角动量飞轮模组(31)和总线接口，所述飞轮板(3)、通信载荷板(4)、主控板(5)、电源板(6)以及电池板(7)之间通过总线接口相连。

8.根据权利要求7所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述通信载荷板(4)上设有摄像头(41)、图像传输模块(42)、LoRa通信模块(43)、温度传感器和总线接口，所述摄像头(41)、图像传输模块(42)相互连接，所述图像传输模块(42)、LoRa通信模块(43)、温度传感器和总线接口相连。

9.根据权利要求8所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述主控板(5)上设有主控芯片(51)、高度计(52)、GPS/北斗模块(53)、陀螺仪(54)、电压采集分压采样电路(55)、下载调试接口(56)、LED状态灯(57)、屏幕接口(58)、电源供电电路(59)、温度传感器和总线接口，所述高度计(52)、GPS/北斗模块(53)、陀螺仪(54)、电压采集分压采样电路(55)、下载调试接口(56)、LED状态灯(57)、屏幕接口(58)、电源供电电路(59)、温度传感器分别与主控芯片(51)相连，所述主控芯片(51)与总线接口相连。

10.根据权利要求9所述的卫星教学演示装置，其特征在于，所述电源板(6)上包括变压模块(61)和总线接口，所述变压模块(61)的输入端、输出端均分别和总线接口相连，所述变压模块(61)包括多种不同直流电压变换级别的直流-直流变压模块；所述电池板(7)包括太阳能充电控制板(71)、电池(72)、外部充电接口(73)、温度传感器、电流传感器和总线接口，所述太阳能充电控制板(71)和太阳能电池板相连，所述太阳能充电控制板(71)、外部充电接口(73)的输出端分别与电池(72)相连，所述电流传感器用于检测太阳能充电控制板(71)和电池(72)的输出端电流，所述电池(72)、温度传感器、电流传感器分别和总线接口相连。