QB50 Project and the Development of Cube Sat Technology in China

The Cube Sat refers to the low-cost nano satellite produced by international standards. The QB50 project is "an International Network of 50 double Cube Sats for multi-point, in-situ, long-duration measurements in the lower thermosphere and re-entry research". There are 23 countries and region participated in the QB50 Project. 38 Cube Sats were developed and launched. Among them, four Cube Sats developed by Chinese universities were sent to orbit(Three were deployed from the International Space Station, and one was launched by the Polar Satellite Launch Vehicle, PLSV). They are Aoxiang-1(Northwestern Polytechnical University, the Asia coordinator), Lilac Sat-1(Harbin Institute of Technology), NJUST-2(Nanjing University of Science and Technology) and NUDTsat(National University of Defense Technology). Through the development of the QB50 Project, Chinese researchers and students got in touch with the concept of Cube Sat and gained experience of international scientific cooperation. A lot of students took part in the assembly, integration, and test of spacecraft, which is helpful to the training of space talents. Now, many universities and institutes have the capabilities to develop Cube Sats and the subsystems independently.

立方星电源系统最大功率点跟踪优化控制方法

针对立方星在能量来源严重受限条件下如何提高太阳能利用率的难题,提出一种适用于立方星的集中供电式空间微电源架构(EPS),并设计基于改进粒子群优化算法的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略来提升能量转换效率。首先,推导太阳电池阵列的数学模型,并根据太阳电池阵列的工作特性,提出电源系统最大功率点跟踪控制的物理系统实现结构。其次,设计基于改进粒子群优化(PSO)的最大功率点跟踪控制算法,并进行了数学仿真校验。最后,对所设计的电源系统架构进行了硬件实现和试验验证。地面试验结果表明,电源系统的太阳能最大转换效率可达95. 5%。该电源系统成功应用于世界首颗12U立方星'翱翔之星'的飞行试验,在轨数据表明电源系统工作状态良好,为微纳卫星电源系统的设计提供了有益参考。

立方星太阳翼及其可重复解锁机构

为了解决立方星太阳翼在严格尺寸约束下无法实现地面多次解锁试验验证的问题,提出了一种可重复电磁解锁的轻质量、高刚度的太阳翼。首先,提出一种微型铰链式展开机构,具有展开锁定和到位指示功能。其次,提出的电磁解锁机构能够解决压紧释放装置无法多次解锁的问题,具有低冲击,无污染,响应快的特点。最后,对太阳翼基板的尺寸构型和辅助支撑布局进行灵敏度分析与优化。仿真结果表明:太阳翼在优化后质量减轻20%,展开状态下的基频提升16%,满足太阳翼轻质量、高刚度的要求。本文提出的立方星太阳翼经过地面鉴定级振动和冲击力学试验验证以及热真空试验,并且通过八一03卫星完成在轨验证,满足立方星在轨的使用要求,可为后续立方星太阳翼的设计及研制提供参考。

VHF/UHF立方星地面站系统设计及应用

该文根据"南理工一号"卫星发射任务,设计甚高频/特高频(VHF/UHF)卫星地面站系统,并成功实现信号的上下行功能。在分析立方体纳卫星通信特性的基础上,提出了适用于VHF/UHF频段的卫星地面站系统设计方案。针对卫星任务提出了音频频移键控(AFSK)调制与二进制相移键控(BPSK)解调实现方式,地面站系统采用硬件方式实现AFSK调制,利用基于Costas环的软件方式实现BPSK解调。实际测试表明,地面站上行功能良好,BPSK接收灵敏度达-120 d Bm,该系统可成功解调QB50P1和QB50P2等其他卫星信号。

太阳同步轨道立方星任务轨道演化分析

立方星是近年来微小卫星领域的研究热点,文章以太阳同步轨道(SSO)立方星任务为例,研究地球非球形引力项J2和大气阻力对立方星轨道演化的影响。分别研究了轨道高度、太阳活动指数F10.7和大气模型对SSO立方星轨道演化的影响,进行了数值仿真验证。研究表明:大气阻力摄动对SSO立方星轨道寿命影响很大,影响结果与轨道高度之间存在非线性关系;太阳活动高、低年时的轨道演化差异明显,且演化量随F10.7的变化是非线性的;不同大气模型下的轨道演化情况存在差异,大多数模型所对应的轨道演化量的量级基本一致。上述影响分析对SSO立方星任务轨道的选定及轨道控制具有一定的参考价值。

空间特性模拟的微小飞行器结构设计与动特性分析

为研究空间碎片等非合作目标的可见光、红外及运动规律等空间特性,一般通过微小飞行器进行模拟,因此,对微小飞行器结构设计提出了小发射尺寸、大展开面积、轻质、高承载等技术需求。本文基于立方星架构思想,进行了空间特性模拟微小飞行器的结构方案设计。在分析卫星构型设计特点的基础上,结合设计要求、发射的重量及空间限制等约束,提出了舱段模块化、尺寸系列化堆叠式构型研制方案。通过三维建模设计和有限元分析,开展了多U微小飞行器的结构方案设计与动特性分析。结果表明结构方案合理、强度刚度满足指标要求,可作为结构优化及地面试验环境条件制定的依据。

国际基于立方星平台的空间科学发展态势及启示

空间科学主要是基于航天器平台获取实验数据、实现科学发现的重大前沿基础研究。中国实施了"悟空""慧眼"等一批较大的科学卫星任务。阐述了国际上重要科学发现和成果,提出当前国际上已认识到立方星在空间探索与发现中的重要作用;总结了美欧等航天强国和机构已实施和论证的若干立方星科学探测计划及取得的有影响力的原创科学成果,以及中国立方星技术演示验证和商业航天已取得的进展;提出了中国空间科学界应进一步关注立方星的发展,利用立方星平台开展研究,与传统大中型空间科学卫星形成互补,增强并拓展相关领域的探测能力,有效降低任务难度并缩短研制周期,促进中国空间科学取得更多重大发现和突破。