翱翔系列立方星的发展和展望

刘莹莹，周 军，刘光辉，张佼龙，白 博，李 朋，黄 河，刘 睿

(西北工业大学航天学院精确制导与控制研究所，西安 710072)

0 引 言

立方星(CubeSat)是一种采用模块化、标准化理念进行设计的低成本纳卫星。标准的立方星采用的是“1U”架构，即体积为10 cm×10 cm×10 cm，在此基础上，立方星可进行升级、扩增。立方星是由加州理工大学和斯坦福大学于1999年提出并定义设计制造标准，2014年《科学》杂志将立方星技术公布为年度十大科学突破之一。当前立方星技术已在世界范围内获得飞速发展，并在遥感、通讯、导航、科学实验，教育产业，无人机监测等领域得到了广泛的应用[1-8]。

2016年6月25日，西北工业大学“微小卫星技术及应用国家地方联合工程实验室”自主研制的世界首颗12U立方星“翱翔之星”搭载“长征七号”新型液体运载火箭在海南文昌卫星发射中心发射成功。“翱翔之星”的成功发射引起了美国、俄罗斯、欧盟等相关卫星研制机构的广泛关注，标志着翱翔系列微小卫星的发展迈上了新的起点，低成本、短周期、快响应的立方星技术迎来新的突破。自此之后，陆续有两颗立方星“翱翔一号”和“行云试验一号”2U立方星成功发射。“翱翔一号”是欧盟第七框架协议的旗舰项目QB50计划的组网卫星，西北工业大学是QB50计划的发起单位和亚洲区总协调单位，全世界五大洲23个国家与地区参与了这个项目，人类首次开展对低热层大气的探测。QB50计划引领了我国立方星技术的发展，可以说是我国立方星发射的起点。“行云试验一号”卫星从任务需求提出、设计、组装、测试、发射共用了四个月的时间，充分体现了立方星模块化、标准化设计理念的优势。

这三颗卫星分别由新型液体运载火箭“长征七号”、小型固体运载火箭“快舟一号甲”、以及美国Atlas5火箭发射升空，证明了“翱翔”系列卫星能够适应各种发射环境。团队目前已具备较完善的立方星总体设计、部组件研制生产、整星组装集成、整星测试、环境试验、天地模飞试验，以及在轨测控等条件，建成了陕西省首个高校卫星测控地面站。

本文将系统介绍翱翔系列立方星的发展现状，并对立方星的发展前景提出展望。

1 翱翔系列立方星任务简介

2016年6月至2017年5月，一年内三颗翱翔系列立方星成功部署入轨并开展预定的科学与试验任务。

“翱翔之星”是世界首颗12U立方星，在此次发射之前，仅有2U和3U的立方星。“翱翔之星”首次开展了大气层外偏振导航技术试验，首次研制并验证了电磁解锁12U立方星部署器，图1为“翱翔之星”在文昌发射基地进行发射前测试，图2为新闻联播报道“翱翔之星”顺利入轨。

2011年1月由西北工业大学与比利时冯·卡门流体力学研究所、欧洲航天局、德国宇航中心、美国斯坦福大学、英国萨瑞大学、英国穆拉德空间实验室、荷兰代尔夫特理工大学等一起共同发起的全世界五大洲23个国家与地区参与的QB50计划。QB50计划是欧盟第七框架协议的旗舰项目，受到了欧盟以至全世界的广泛关注和高度重视，它通过国际大学科技计划吸引了全世界各大高校和科研机构参与，共同发射36颗2U和3U的立方星，组成国际卫星星座开展对低热层大气的科学探测。北京时间2017年4月18日23点11分，美国当地时间4月18日11点11分，西北工业大学自主研制的“翱翔一号”立方星作为欧盟QB50计划首批发射入轨的28颗卫星之一，搭载宇宙神5运载火箭(Atlas5)/天鹅座货运飞船(Cygnus)在美国佛罗里达州的卡纳维拉尔角空军基地成功发射升空。卫星随天鹅座货运飞船完成与国际空间站的交会对接，并于5月26日通过国际空间站在轨释放部署，图3所示为宇航员在空间站拍摄的“翱翔一号”照片。“翱翔一号”成为首批通过国际空间站释放的中国卫星，随后成功接收了载荷数据。

2017年1月9日中午12时11分，由西北工业大学与中国航天科工集团第四研究院第九总体设计部联合研制的“行云试验一号”卫星为2U立方星，搭载小型固体运载火箭“快舟一号甲”在酒泉卫星发射中心点火发射，卫星成功进入预定轨道。

三颗立方星基本情况如表1所示。

表1 三颗立方星基本情况Table 1 Basic information of three CubeSats

2 翱翔系列立方星分系统设计

2.1 标准化结构设计

翱翔系列立方星采用国际标准的结构形式，采用结构框架加横梁的组合方式，将立方星分割成多个1U组合的结构形式，便于形成货架产品供用户选择。外部包络具有标准结构型谱，便于相应的立方星部署器的标准化设计。外部结构标准如表2所示。同时结构材料采用高强度硬铝合金，牌号为7075-T651，具有良好的比强度。内部尺寸通过定义标准CSKB(CubeSat Kit Bus)板，可以实现立方星内部部组件的结构标准化。该板卡可安装于任意结构立方星，并且CSKB板设计为非对称结构，具有防插错功能，如图4所示。

表2 标准立方星结构包络型谱Table 2 Standard CubeSats structure envelope spectrum standard

“翱翔之星”是国际上首颗12U立方星，也是目前世界上成功发射最大结构的立方星，立方星平台采用3个标准结构框架加48根横梁连接的结构形式。立方星采用体装太阳能电池片的方式为整个卫星供电，卫星全部部件与载荷均安装在内部，保持了标准12U立方星的外形，如图5所示。

“行云试验一号”(XYS-1)是一颗2U立方星，立方星平台采用2个标准结构框架加8根横梁的结构形式，立方星平台采用体装太阳能电池片的方式为整个卫星供电。“XYS-1”载荷为L波段短报文通讯系统，安装于立方星平台外部，整体长度较标准2U立方星有所增加，如图6(a)所示。

“翱翔一号”是一颗2U立方星，立方星平台采用2个标准结构框架加8根横梁的结构形式，立方星平台采用体装太阳能电池片的方式为整个卫星供电。“翱翔一号”载荷为低热层大气探测科学单元，载荷安装于立方星平台外部，整体长度较标准2U立方星框架有所增加，增加部分为载荷高度，如图6(b)所示。

立方星由于结构体积小，主要采用被动热控的方式，将聚烯亚胺材料多层隔热材料置于太阳能电池板与立方星本体框架之间。在电池等部位配置加热片进行局部主动热控。

2.2 姿态控制系统

立方星姿态控制系统的主要任务包括消除初始入轨角速度，并保持载荷工作期间需要的姿态。

翱翔系列立方星使用的敏感器主要包括陀螺、磁强计、太阳敏感器、GPS接收机，使用的执行机构主要包括磁力矩器、飞轮。卫星控制资源有限，执行机构输出受限，如何保证卫星姿态稳定达到任务需求成为控制系统设计的重点。另外，卫星在轨获得的能源有限，难以满足卫星控制系统部组件以及载荷长期同时工作，协调控制系统与载荷工作模式成为卫星自主运行设计中的重点。

翱翔系列立方星将立方星在轨控制模式、能源管理、载荷调度进行综合设计，在控制模式设计中融入能源实时监测以及控制部件、载荷综合调度使用策略。立方星控制、能源、载荷综合管理模式如图7所示。卫星控制包括初始检测、消旋、粗定姿、对地定向、安全等待、充电恢复等主要控制模式。在自主控制的同时，进行能源监测管理、载荷任务调度以及各部组件的状态检测。系统根据部件、能源状态自主进行控制模式、载荷任务的调度管理，在基本不依赖地面指令的条件下实现了卫星在轨自主控制与能源平衡、载荷管理的协调、高效运行。

根据卫星实际飞行数据，在目前卫星控制系统配置的情况下，消旋控制末期角速度控制精度小于0.3°/s；对地定向阶段姿态控制精度1°,角速度控制精度0.1°/s。

2.2.1飞轮

针对纳卫星的任务需求，设计了一种基于商用货架(Commercial off the shelf, COTS)器件、模块化的低成本反作用飞轮。

采用非密闭式结构，无刷电机驱动轮缘式轮盘；控制器采用积分分离控制算法，基于超低功耗处理器捕获霍尔信号测速，驱动MOSFET桥换相。所研制飞轮基本参数：重量63 g，尺寸36 mm×36 mm×28 mm，最大转速9000 rpm，最大角动量≥5.5 mN·ms，输出力矩为≥0.2 mN·m，功耗≤0.5 W。

2016年6月25日，由三个单轴飞轮组成的三轴飞轮组件随“翱翔之星”发射入轨，并且在后续两颗2U立方星上使用，运行状况良好。至今已在国内外十颗卫星以上在轨得到应用，最长在轨运行时间已达三年。

2.2.2磁力矩器

磁力矩器作为重要的卫星姿态控制执行机构，由于其结构轻便、成本低、功耗小等优势，在地磁场强度较强的近地轨道卫星上应用十分广泛[1-3]。它依靠控制线圈中电流的大小和方向来产生相应的磁矩，产生的磁矩与地磁场相互作用产生控制卫星姿态的磁力矩。

根据是否含有磁介质，磁力矩器可分为带磁芯的磁力矩器[4]与空芯磁力矩器两大类[5]。根据立方星内部结构特点，将两根带磁芯的磁棒器与一个空芯线圈结合，形成三轴磁力矩器组件，如图9所示。输出磁矩≥0.2 Am2，功耗≤0.7 W。其中带磁芯的磁力矩器还可作为模拟式单轴磁力矩器使用。

三轴磁力矩器已经在“翱翔之星”等5颗立方星上获得了在轨验证与使用，运行状况良好，在轨运行时间超过三年。

2.3 电源系统

电源系统是卫星进行能量收集、转换、存贮和分配的子系统，对卫星任务的完成具有十分关键的作用。立方星的典型特点使得其电源系统必须实现更小的体积、更高的效率、更通用的接口、更多的智能和更低的成本，因此在拓扑结构、设计思想上与传统卫星都有较大区别。翱翔系列立方星电源系统结构框图如图10所示，由太阳电池板、电源控制器和蓄电池组成，其中电源控制器以高集成度的单板结构集成了能源转换、充放电管理、二次电压转换、功率分配、监控保护和总线等单元。

立方星电源系统的关键技术主要体现在电源控制器上，主要包括：1) 基于MPPT技术的高效率电源系统能源转换拓扑结构实现技术；2) 高集成度的电源控制器实现技术，将能量转换、充放电管理、二次电压转换、功率分配与保护甚至蓄电池等集成在单板结构上；3) 标准化、模块化设计方法以及功率灵巧扩充与配置技术；4) 基于COTS器件的高可靠系统实现及智能化容错控制技术。翱翔系列卫星通过对以上电源系统关键技术的研究，形成四款电源控制器产品，如表3所示。

“翱翔之星”采用了标准II型电源控制器，另两颗2U立方星均采用了标准I型电源控制器，控制器照片如图11所示。

2.4 星载计算机

星载计算机(On board computer, OBC)采用一体化方案，同时实现指令与数据管理、姿态控制和海量数据存储等功能，参数如表4所示。硬件系统基于货架产品器件，采用双异构处理器“双机互补+双核互校”的容错架构，通过非相似技术来避免共性故障发生。2016年第一次入轨至今已在3颗卫星得到应用，运行状态良好。

型号母线电压外部接口典型特点适用范围标准I型8.4 VPC104插座升压拓扑结构三通道太阳能输入5 V、3.3 V、电池电压输I2C总线18650锂电池组标准结构无展开太阳板1U、2U立方星标准II型8.4 VPC104插座降压拓扑结构三通道太阳能输入5 V、3.3 V、电池电压输出I2C总线18650锂电池组标准结构无展开太阳板3U～12U立方星扩展II型-a8.4 VPC104插座+扩展插座降压拓扑结构3～10通道太阳能输入5V、3.3V、12V、电池电压输出I2C、CAN总线18650锂电池组带展开太阳板的3U～12U立方星扩展II型-b16.8 VPC104插座+扩展插座降压拓扑结构3～10通道太阳能输入5 V、3.3 V、12 V、电池电压输出I2C、CAN总线18650锂电池组带展开太阳板的12U～36U立方星

2.5 通信与测控

翱翔系列立方星的通信与测控系统主要使用UHF/VHF业余无线电频段，具体包括星上通信系统以及地面站系统。

1) 星上通信系统

翱翔系列立方星星上通信系统包括UHF/VHF射频收发机以及可展开天线。星载计算机控制射频收发机发送和接收数据。其中VHF频段用于指令上行，UHF频段用于下行遥测数据以及科学数据。收发机与可展开天线的实物图如图13所示。

2) 地面站

翱翔系列立方星均由西北工业大学地面站自主进行测控。该地面站于2016年4月全面建成，是陕西省高校中的首个地面站，主要基于UHF/VHF频段进行卫星测控。图14为地面站的外观与内部图。

表4 OBC基本参数Table 4 OBC basic parameters

2.6 检测系统

卫星检测是在统一配电条件下，对卫星规定的电性能和功能进行全面的检测，对各分系统之间的匹配性和彼此的兼容性进行综合检查。传统卫星检测技术是通过构建复杂的检测平台，包括专用工业检测计算机、功率计、频谱仪等不同功能检测设备，通过检测线缆与卫星相连，来形成一个完整的检测系统。检测过程需要逐步对每个星上设备、部件开展检测，进而完成整星检测。整个检测过程繁琐复杂，需要花费时间长。当卫星星上设备变化，电气、机械接口变化时，检测系统需要重新研发，通用性差，增加了卫星的研发成本。

为实现卫星快速检测，基于立方星标准化和模块化的特点，提出了一种利用星载模块化部件进行自主测量、检测、试验和诊断的快速检测技术。以星上内部检测为主，充分发挥星载系统的资源，特别是星载计算机，利用软件模块化设计使得检测过程能够按照检测流程自主进行，能够智能化诊断检测过程中出现错误或异常。大大缩减了检测时间，简化了检测过程，减少检测人员和物力，从而提高了卫星发射的灵活性和适应性，突破了立方星大批量生产和群星快速发射的瓶颈。自主检测技术还根据研发阶段不同，支持单机级检测、单系统级检测、桌面联调检测、总装后检测、模拟飞行检测以及发射场检测等六个阶段检测。

2.7 部署器

“翱翔之星”立方星星箭分离机构作为世界首台12U立方星电磁解锁部署器，搭载CZ-7液体火箭首飞成功。框体结构如图15(a)所示，通过8个M8高强螺钉与运载火箭箭体安装支架刚性连接。外形主体为长方体结构，内部安装四个L型直线导轨，用于运输与发射过程中12U立方星的支撑以及分离过程中立方星的导向。框体前端为舱门，舱门下端通过转轴铰链与框体主体相连，上端通过电磁铁锁紧舱门；框体后端安装圆柱螺旋弹簧作为立方星分离储能元件，分离弹簧与立方星推板固连，通过推板推动立方星移动。

星箭发射入轨后，收到箭体星箭分离信号后，电磁铁通电完成舱门的解锁，立方星在分离弹簧的作用下沿L型直线导轨滑出，并推动舱门转动，当舱门打开至一定角度后，通过定位弹簧销轴完成舱门的锁定，限制舱门的晃动，防止舱门回弹与立方星发生干涉碰撞。

分离监测开关安装在分离机构框体后端，与卫星推板单向接触。当舱门打开，分离弹簧作用下推板向前移动，分离测试开关与推板分离，给出星箭分离信号，并通过箭体遥测数据下传给地面。

“XYS-1”立方星星箭分离机构作为国内首台双余度电磁解锁部署器，搭载KZ-1A固体火箭于2017年1月9日首飞成功。该2U立方星部署器与“翱翔之星”12U立方星部署器主体结构形式基本相同，体积适用于2U立方星。有两处不同：一是采用双余度电磁解锁方式提高立方星解锁分离的可靠性，二是星箭分离监测开关也采用双余度的方式，安装于L型直线导轨前部，待立方星与分离机构彻底分开后给出星箭分离信号。整体结构如图15(b)所示。

3 偏振敏感器载荷

“翱翔之星”的主科学任务是地球大气层外光学偏振模式测量。偏振光导航是近些年来逐步发展起来的一种新型仿生导航技术。自1811年天空偏振现象被发现以来，人们对大气偏振理论的研究逐步完善。在大气偏振理论的研究过程中，人们相继发现许多昆虫和鸟类等自然界生物都能利用天空偏振光进行导航定位。

近些年来，国内外学者就如何利用大气光学偏振模式来进行机器人和飞行器的导航开展了大量的研究工作，这些研究工作主要集中在大气层外。西北工业大学提出了利用大气层外偏振模式进行卫星自主导航。然而，在大气层外偏振导航，需要了解太阳光线经过地球大气分子散射后形成的偏振模式图是否依然遵循瑞利散射假设，要清楚地表示背景、云层、气溶胶等对大气层外偏振模式的影响规律。因此，有必要开展大气层外偏振模式实际测量，从而揭示大气层外偏振模式的分布规律和主要影响因素。“翱翔之星”首次开展了地球大气层外光学偏振模式探测。

通过在轨数据测量，表明了从大气层外观测地球表面，依然有比较明显的瑞利散射。

4 “翱翔”系列立方星展望

目前西北工大学“翱翔”立方星团队正在进行的应用项目主要有下述4个。

1) 一箭多星部署器，立方星采用国际通用标准的盒式分离机构，与立方星本体和火箭适配器之间配合接口简单，最容易实现多星分离标准化和系列化。通过定义接口标准，分层布局，可以实现一箭多星分离，实现结构可拓展。通过增加分离时序控制器，实现一箭多星分离任务可编程。遵循“简单即可靠”的原则，研制星箭分离机构功能部组件，组成标准化、模块化立方星星箭分离机构。可以大幅降低星箭分离机构的质量，进而降低发射成本，并且能够实现部组件的共用，实现批量化生产。

2) 立方星星座深空探索计划，深空探索已经成为国际研究的热点，美国、日本以及欧洲都陆续启动了一系列基于微小卫星的深空探测任务，其中最具代表性的是欧盟QB50项目，产生了巨大的国际影响。2018年11月19日-20日，首届中国微小卫星大会在西北工业大学举办，西北工业大学计划发起立方星星座深空探索计划，用6～8颗6U～12U立方星，在奔赴小行星的各个阶段分离部署，组成星座，开展国际深空探测和小行星探测任务。

3) 西安一号A/B星，是“陕西一号”低轨遥感星座的先导星，采用16U、20U立方星平台，用于环境及大气污染监测。“陕西一号”星座一期计划发射72颗立方星，可实现对陕西境内和一带一路沿线国家的全面覆盖监测。

4) “澳门科学一号”卫星项目，西北工业大学与澳门科技大学联合研制的1颗48U柔性设计模块组装式微小卫星，首次利用近赤道轨道低轨卫星对南大西洋磁异常区进行探测；充分发挥立方星成本低、研制周期短、测试快速、发射灵活的特点，利用70～80 kg微小卫星实现5年高精度长寿命地磁测量。

目前立方星的应用特点主要是成本低、体积小、质量轻，由于小行星探测、地磁探测等应用的发展需求，将对立方星平台提出更高的要求，未来立方星将不仅仅限于低精度短寿命的任务，在保持研制周期与成本优势的基础上，基于立方星标准化、模块化、系列化的特点，探索柔性、高精度、长寿命等方面实现突破。另外，在轨组装，编队飞行，一箭多星等仍将是立方星研究的热点。

5 结束语

立方星作为模块化研制生产的微纳卫星，其研制周期短，成本低廉，通过组网方式，可以对大卫星在遥感、通信、科研、教育等方面应用的不足进行补充，网络机动灵活、具备多任务能力，在重点目标凝视时间、重访时间、重访频率方面拥有大卫星无法比拟的优势。

西北工业大学“翱翔”系列立方星研制团队将在已有12U、2U等立方星的基础上，在结构规模、控制精度、工作寿命、数据传输能力、轨道控制能力等方面提升立方星性能，并且推进立方星在科学技术验证、深空探测、环境监测、灾害评估、城市建设等领域的快速应用，在推动航天产业化和航天创新教育方面发挥更大的推动和促进作用。