立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)及關鍵技術

石海平　付林春　張曉峰（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)及關鍵技術

石海平付林春張曉峰
（北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

在對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)調(diào)研的基礎上，介紹了國內(nèi)外立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制基本情況和立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的基本原理，結合當前航天器電源系統(tǒng)應用實際及立方體衛(wèi)星技術特點，通過對比提煉，對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)關鍵技術進行了梳理分析，重點對供配電體制、結構拓撲、高功率密度實現(xiàn)、接口標準、系統(tǒng)功耗控制等關鍵技術進行了介紹，對各關鍵技術的特點、應用、研究狀況、難點及主要實現(xiàn)途經(jīng)等進行了分析。總結了立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展趨勢，指出了立方體衛(wèi)星電源技術的發(fā)展重點，給出了立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展建議。以上內(nèi)容對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制應用及發(fā)展，具有一定的參考價值。

立方體衛(wèi)星；電源系統(tǒng)；拓撲；關鍵技術

1　引言

立方體衛(wèi)星（CubeSat）是一種小型化的衛(wèi)星，是目前微小型衛(wèi)星設計的主流技術之一，1U（單元）立方體衛(wèi)星設計標準體積為10 cm×10 cm× 10 cm，質量為1 kg。立方體衛(wèi)星技術源于美國國防先進研究計劃局（DARPA）出資、由多所大學負責開發(fā)的CubeSat衛(wèi)星項目，其目標是制定立方體衛(wèi)星的設計標準。其標準由美國加州州立理科綜合大學和斯坦福大學聯(lián)合制定，提供最基本的、必要的設計大綱和指導，保證CubeSat系列中的每一顆衛(wèi)星，都能與釋放裝置正確接口。標準中明確定義了立方體衛(wèi)星的外部尺寸、推薦使用的制造材料、關鍵約束條件，還列出了設計者必須遵守的衛(wèi)星組裝、集成、發(fā)射等的時間進度節(jié)點安排。該標準實際上奠定了整個立方體衛(wèi)星或微小衛(wèi)星的設計基礎，成為實際設計通用標準［1-3］。

立方體衛(wèi)星具備普通衛(wèi)星的基本功能，包括姿態(tài)確定和控制、星地通信、星上數(shù)據(jù)處理和存儲等。立方體衛(wèi)星可以擴展為2U（10cm×10cm×20cm）和3U（10cm×10cm×30cm）等較大的立方體衛(wèi)星。多個單元立方體衛(wèi)星可以以其中一個單元提供常規(guī)衛(wèi)星所需要的基本功能，而其它單元根據(jù)用戶需求提供專項服務，例如對地觀測、大氣測量、宇宙射線檢測等［1-2］。

立方體衛(wèi)星成本低、標準模塊化、功能易擴展、易組網(wǎng)，其應用越來越廣，對電源系統(tǒng)的要求也越來越高。當前立方體衛(wèi)星應用與研究呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，不但在低地球軌道得到應用，在深空領域也已開始使用。世界各國加大了對立方體衛(wèi)星的投入，美國、歐盟等主要發(fā)達國家都制定并實施了立方體衛(wèi)星發(fā)展規(guī)劃。隨著國內(nèi)航天發(fā)展，在空間站、低空特殊任務等都開始需要立方體衛(wèi)星，而國內(nèi)長壽命（1年以上）多功能立方體衛(wèi)星幾乎還是空白，因此，應加緊開展立方體衛(wèi)星研制工作。

電源系統(tǒng)是立方體衛(wèi)星的基礎系統(tǒng)，直接決定著其使用壽命及任務執(zhí)行能力。立方體衛(wèi)星長壽命多任務需求及立方體衛(wèi)星體積質量限制，使立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)與傳統(tǒng)航天器電源系統(tǒng)有著明顯差別，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)效率更高，功率密度更大，質量更輕，采用更多智能化技術，更為集約，采用的電源拓撲，關鍵技術等與普通衛(wèi)星存在較大的區(qū)別。而當前國內(nèi)立方體衛(wèi)星電源技術還無法滿足立方體衛(wèi)星長壽命、高容量、多任務使用要求。本文在廣泛調(diào)研及總結分析的基礎上，結合現(xiàn)有航天器電源系統(tǒng)研制經(jīng)驗，對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展概況、基本原理、關鍵技術、發(fā)展趨勢及發(fā)展重點等進行了分析總結，可為后續(xù)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制及發(fā)展提供參考。

2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1國外研究現(xiàn)狀

真正意義上的立方體衛(wèi)星最早于2003年6月30日發(fā)射，包括質量為l kg的日本東京大學立方體衛(wèi)星（CubeSat-XI）、質量為1 kg的丹麥奧爾堡大學立方體衛(wèi)星（AAU-CubeSat1）、質量為1 kg的丹麥科技大學衛(wèi)星（DTUSat）、東京技術研究所的質量為l kg的（Cute-1）和美國Quakefinder LLC公司的質量為3 kg的地震衛(wèi)星（MOST）。2010年11月，NASA從FASTSAT衛(wèi)星上成功釋放了一顆立方體衛(wèi)星——NanoSail-D。此外，歐盟在第七研發(fā)框架計劃（FP7）下實施了“50顆立方體衛(wèi)星組成的用于開展低熱層探測和再入返回研究的國際衛(wèi)星網(wǎng)絡”項目（簡稱QB50項目）。該項目由馮·卡門流體動力學研究所（VKI）聯(lián)合歐洲航天局（ESA）等多個研究機構共同提出，采用50顆2U立方體衛(wèi)星組網(wǎng)，實現(xiàn)對低層大氣的多點在軌測量，同時在星座中開展衛(wèi)星再入大氣層過程的一些相關研究。QB50立方體衛(wèi)星已于2015年陸續(xù)發(fā)射［1-2］。

國外立方體星在高校、政府部門及商業(yè)公司中呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展態(tài)勢，其集成度高，功能越來越復雜，功率密度也越來越高，1U立方體星功率等級已經(jīng)能達到40W。配電與電源管理系統(tǒng)利用CPU、固態(tài)功率開關等智能化元器件，通過系統(tǒng)總線連接，實現(xiàn)系統(tǒng)智能化。一塊電路板上集成了電源管理、傳感器、通信模塊、存儲器等功能模塊；立方體星研制、試驗等標準初步形成；出現(xiàn)了較成熟的市場化產(chǎn)品，各個系統(tǒng)都有現(xiàn)成的商業(yè)化產(chǎn)品出售；出現(xiàn)了以工業(yè)級元器件構建的立方體星電源系統(tǒng)，并具備了在軌應用經(jīng)驗。只要通過組裝測試就能夠完成立方體星研制，使得研制周期更短，費用更低，應用更簡單便捷。表1整理了國外在立方體衛(wèi)星發(fā)展過程中具有里程碑意義的一些發(fā)展成果及其研究機構［4-5］。

表1　立方體衛(wèi)星主要發(fā)展節(jié)點及其研究機構Table1　Main development milestones and corporations

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要由電子電源模塊（EPS）、蓄電池模塊、太陽電池等組成。EPS是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)最重要的部分，實現(xiàn)對電能的控制、分配，對系統(tǒng)的測控保護等功能，該部分技術水平的高低直接反應了立方體衛(wèi)星電源水平的高低。當前，國外EPS已實現(xiàn)較高水平的集成，相同體積下處理的功率越來越大。當前商業(yè)上可購買的1U立方體衛(wèi)星EPS可處理的功率已擴展至近40W，使用的器件為工業(yè)級器件，并通過了飛行驗證。很多主要模塊都已做成芯片，大大提高了系統(tǒng)的集成水平［6］。

Gomspace公司CS-3UEPS2-NB系列的EPS實物及原理框圖如圖1和圖2所示。

圖1　CS-3UEPS2-NB系列EPS外觀圖Fig.1　Outline of the series of CS-3UEPS2-NB EPS

圖2　CS-3UEPS2-NB系列立方體衛(wèi)星EPS原理框圖Fig.2　Schematic diagram of series of CS-3UEPS2-NB EPS

國外立方體衛(wèi)星太陽翼有多種類型，太陽電池片除了體裝式部裝外，還有多種展開式太陽翼，能根據(jù)立方體衛(wèi)星應用布局，選取合適的太陽翼種類。

國外常用太陽電池部片形式如圖3所示。常采用三結砷化鎵太陽電池，轉換效率能達到30%。

圖3　國外常用立方體衛(wèi)星太陽電池部片及太陽翼形式Fig.3　Universal solar panels of foreign CubeSat

蓄電池方面，國外主要采用鋰離子蓄電池組，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)具有對鋰離子蓄電池組完備的充放電控制、系統(tǒng)檢測與管理能力。

國外普遍采用模擬最大功率點跟蹤（MPPT）技術，并實現(xiàn)了芯片化集成，具有立方體衛(wèi)星級的可展開微型太陽翼技術，整星集成度高，功率密度大。

2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)高校從事微小衛(wèi)星領域研究的主要有清華大學、浙江大學、西北工業(yè)大學、哈爾濱工業(yè)大學、國防科技大學等。

2010年9月浙江大學成功發(fā)射了皮星一號A（ZDPS-1A）衛(wèi)星。其電源分系統(tǒng)采用了三結砷化鎵、鋰電，采用直接能量傳輸拓撲，平均功率不小于3.5W，分系統(tǒng)效率大于85%，質量100g，電源板10cm×8cm×2cm，為QB50衛(wèi)星之一。

該星電源包括太陽電池陣、鋰離子蓄電池，電源控制設備包括太陽電池電壓調(diào)節(jié)單元及繼電器開關，電源變換器包括功率分配單元、限流防短路單元、電源監(jiān)測單元，電源配電接口包括電源走線及一系列接口。此外，系統(tǒng)還有一系列測試接口。整星采用體裝式太陽電池陣部裝，其電源系統(tǒng)結構框圖如圖4所示。

可以看出，該星電源系統(tǒng)不含最大功率點跟蹤控制環(huán)節(jié)，采用體裝式部片，電源拓撲比較簡單，由于采用體裝式部片，且沒有采用MPPT技術，系統(tǒng)總功率受到了極大限制。

作為QB50計劃的一部分，西工大于2015年發(fā)射了翱翔一號立方體衛(wèi)星，其為2U立方體星，體積為10cm×10cm×20cm，質量為2～3kg，整星功率為3W，軌道周期為90min，采用砷化鎵太陽電池片，星體部裝。

1U立方體衛(wèi)星電源的發(fā)電功率一般為5～15W，電源是以能源組件的形式出現(xiàn)。當前國內(nèi)立方體衛(wèi)星，發(fā)電常采用較高效的三結砷化鎵太陽電池及星體表裝式部裝，儲能裝置采用高比能量的鋰離子電池，能源管理和配電較為簡單，現(xiàn)階段我國受基礎工業(yè)技術的制約，目前實現(xiàn)高度集成化有一定的難度。我國現(xiàn)階段的立方體衛(wèi)星功能較為單一，整星功率較小，系統(tǒng)集成度低，大多數(shù)立方體衛(wèi)星只帶有一次性干電池，或只有表貼式太陽電池片，這大大限制了立方體衛(wèi)星整星的功率容量［7-8］。

圖4　ZDPS-1A立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)結構圖Fig.4　Power system structural diagram of ZDPS-1A

3　電源系統(tǒng)基本組成及關鍵技術分析

3.1電源系統(tǒng)基本組成及原理

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)主要由太陽電池、蓄電池模塊、電子電源系統(tǒng)（Electronic Power System，EPS）等組成，EPS由調(diào)節(jié)控制、電壓變換、配電及保護模塊組成，實現(xiàn)對太陽電池陣輸出電能的控制、調(diào)節(jié)、變換、分配與保護，是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的核心部分。蓄電池模塊實現(xiàn)對蓄電池組的管理與控制。太陽電池的部裝形式是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)設計的重要部分。常用立方體衛(wèi)星電源原理框圖如圖5所示。

圖5　立方體衛(wèi)星電源原理框圖Fig.5　Principle diagram of CubeSat power system

3.2關鍵技術分析

3.2.1電源系統(tǒng)拓撲

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)拓撲呈現(xiàn)由簡單到復雜的過程，根據(jù)衛(wèi)星用途及載荷等的不同，立方體衛(wèi)星供配電系統(tǒng)主要有以下幾種電源拓撲形式。

1）一次性儲能電池電源

在工作壽命較短的立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)中，常常采用一次性干電池作為系統(tǒng)電源，其結構簡單，但系統(tǒng)壽命短、功能單一。

2）太陽電池—蓄電池不調(diào)節(jié)拓撲

該拓撲太陽電池陣輸出通過二極管直接與蓄電池連接，形成不調(diào)節(jié)母線，其拓撲調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)少，能減少功率損耗，但對太陽電池板的利用率不高，且不能對蓄電池進行充電管理與控制，不適合采用鋰離子蓄電池組的電源系統(tǒng)，如圖6所示。

3）開關分流調(diào)節(jié)拓撲

該拓撲通過功率開關對太陽電池陣輸出功率進行分流調(diào)節(jié)，可對蓄電池進行充電保護，它為半調(diào)節(jié)拓撲，其結構簡單，功能較齊備，應用多，如圖7所示。但此拓撲對電池板電能沒能充分利用，限制了其功能密度的提高。

4）最大功率點跟蹤電源系統(tǒng)

最大功率點跟蹤（MPPT）電源拓撲是當前最先進，也是國外使用最多的立方體衛(wèi)星電源拓撲。該拓撲具有一個帶最大功率點跟蹤的充電調(diào)節(jié)模塊，能實時跟蹤太陽電池陣的最大功率工作點，并能對蓄電池充放電等進行全面保護，是一個完備高效的立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)。該系統(tǒng)拓撲如圖8所示，電路原理圖如圖9所示。

圖6　立方體衛(wèi)星太陽電池—蓄電池不調(diào)節(jié)電源拓撲Fig.6　Solar-battery un-regulation power system topology of CubeSat

圖7　立方體衛(wèi)星開關分流調(diào)節(jié)拓撲Fig.7　Switch shunt regulation topology of CubeSat

圖8　立方體衛(wèi)星最大功率點跟蹤電源拓撲Fig.8　Power topology of CubeSat with maximum power point tracking（MPPT）

圖9　立方體衛(wèi)星最大功率點跟蹤電源拓撲電路原理圖Fig.9　Principle diagram of CubeSat MPPT power system topology

3.2.2高功率密度實現(xiàn)

立方體衛(wèi)星功率越來越大，但由于體積限制，要提高功率等級，必須提高功率密度。當前提高立方體衛(wèi)星功率密度的途經(jīng)主要有以下幾個方面。

1）最大功率點跟蹤技術的應用

MPPT能控制太陽電池陣工作在最大功率點，使相同面積的太陽電池陣能產(chǎn)生更多的電能，從而提高整個系統(tǒng)的功率密度。當前國外普遍采用MPPT技術，并能做到芯片級集成，且大多采用模擬技術實現(xiàn)，因而系統(tǒng)可靠性更高。當前國內(nèi)上天的衛(wèi)星基本還未采用該技術，地面應用中該技術常常通過軟件實現(xiàn)，往往無法滿足空間高可靠性要求。

2）芯片級電路集成

國外立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)集成度高，幾乎所有的電源系統(tǒng)管理與控制都集中在EPS板中，蓄電池充電控制、MPPT調(diào)節(jié)、配電保護及電源變換模塊控制部分等都實現(xiàn)了芯片級集成，這大大提高了系統(tǒng)功率密度。國內(nèi)當前還難以實現(xiàn)芯片級集成，大多通過采購國外現(xiàn)成的集成芯片提高集成水平。

3）可展開式太陽翼技術

由于立方體衛(wèi)星表面積受限，如果不帶可展開太陽電池板，其部裝的太陽電池片面積會很小，限制了整星功率的提高。當前國外立方體衛(wèi)星具有多種形式的可展開式太陽翼（圖10），國內(nèi)到目前發(fā)射的立方體星（1U到幾個U）還都采用體裝式太陽電池片部片，要采用展開式太陽翼，必須攻克微型可展開太陽翼機構技術。

圖10　某型立方體衛(wèi)星多角度可展開太陽翼Fig.10　Multi-angular extensible solar panel of some CubeSat

3.2.3功耗控制

牛皮糖則并不畏懼趙書記，相反他覺得書記很容易親近。他找過書記。村里搞產(chǎn)業(yè)結構調(diào)整，推土機鏟掉了他們種的苧麻，統(tǒng)一栽種了西瓜，牛皮糖不滿，去縣里找了趙書記。雖然趙書記忙，沒接見他，沒能給他解決問題，但趙書記讓秘書帶給了他一句話。這讓牛皮糖很受用，也很踏實。他是個有頭腦的人，他知道不能經(jīng)常為些小事去找政府找書記，否則就不靈了。只有在那些決定命運的大事上才能拿出手中這張王牌，一舉成功。他想，他該去找找趙書記了。

立方體衛(wèi)星體積小，散熱面小，熱控實施比較困難，必須提高電源系統(tǒng)整體效率，減輕熱控系統(tǒng)壓力，保證各元器件工作在合適溫度。因而必須嚴格控制系統(tǒng)的功耗，除了在具體的電路設計中注意功耗控制，更要對母線體制、功率回路等進行優(yōu)化設計。

母線體制主要涉及母線電壓及母線總數(shù)的選擇。為了減少一級變換，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)常常分為3 V母線、5 V母線、8V母線、12 V母線、28V母線、不調(diào)節(jié)母線等類型，為了減少通路損耗，在允許的條件下盡量使母線電壓高。

要對立方體衛(wèi)星各系統(tǒng)模塊進行合理布局，應盡量減小功率回路長度，控制功率回路阻抗，減小功率回路損耗。

3.2.4接口標準

立方體衛(wèi)星提出的目標之一就是要形成統(tǒng)一的接口標準，國內(nèi)外尚未形成具有權威性的接口標準，特別是分系統(tǒng)內(nèi)部、分系統(tǒng)之間、大系統(tǒng)之間等標準還遠未形成，作為航天器研制的總體單位，在接口標準的制定方面有得天獨厚的優(yōu)勢，應在這方面加大研究投入，把握時機，掌握研制制高點［10］。

4　應用及發(fā)展趨勢分析

近5年來，世界許多國家與機構開展了立方體衛(wèi)星研制與發(fā)射，美國、歐洲各國、日本、俄羅斯以及加拿大等國家紛紛開展了自己的立方體衛(wèi)星研究和軍民兩方面的應用探索。美國預計到2020年前其立方體衛(wèi)星具備攻擊地球同步衛(wèi)星的能力，2030年前基于立方體衛(wèi)星的空間機動平臺技術成熟，完成空間試驗研究，具備裝備能力。

當前立方體衛(wèi)星呈現(xiàn)模塊化、標準化、一體化設計與集成的發(fā)展趨勢，出現(xiàn)了“即插—即測—即用”的快速集成和測試技術，并加速向應用轉移，具備了應對突發(fā)事件的高效、高精度快速反應能力，通過立方體衛(wèi)星編隊，提高衛(wèi)星系統(tǒng)的響應時間、觀測精度等性能指標。

綜合立方體衛(wèi)星發(fā)展趨勢及立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢。

1）功率密度將進一步提高

立方體衛(wèi)星應用不斷擴大，整星功率也越來越大，隨之系統(tǒng)的功率密度也越來越高，為此，諸如MPPT、微型太陽翼展開機構、芯片化集成技術、高效太陽電池片等技術將得到普遍應用或成為研發(fā)熱點。

2）標準規(guī)范越來越重要

立方體衛(wèi)星最開始提出的目的之一就是要統(tǒng)一標準，以降低研發(fā)成本與時間。但由于立方體衛(wèi)星研究機構較多，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)本身及其與其它系統(tǒng)之間都遠未形成經(jīng)各方認可的標準規(guī)范，這必將成為立方體衛(wèi)星研究的熱點，也是立方體衛(wèi)星技術的制高點。

3）芯片級集成技術將成為發(fā)展的關鍵點

由于立方體衛(wèi)星體積限制，要進一步提高供配電系統(tǒng)集成度，必須對供配電功能模塊實施高度集成，這涉及到芯片化集成技術、薄膜電路技術等的突破與發(fā)展。相比國外，國內(nèi)這方面技術落后，更應該成為技術發(fā)展的關鍵點。

4）運行與管理智能化

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)各種遙測遙控量及管理十分豐富，常常需要高效的智能化管理平臺，這也是保證系統(tǒng)可靠性的重要組成部分，隨著后續(xù)立方體衛(wèi)星發(fā)展，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)智能化管理必將成為后續(xù)發(fā)展的主要方向。

5）形成電源系統(tǒng)研發(fā)及測試集成新模式

由于立方體衛(wèi)星研制周期短，成本低，發(fā)射方便，特別適合進行空間電源新技術驗證，通過立方體衛(wèi)星驗證的新技術再應用到其它領域或大衛(wèi)星，這將開啟空間電源技術探索創(chuàng)新的新模式。

5　展望與建議

當前世界各國和機構都在積極開展立方體衛(wèi)星研制，近年來立方體衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量逐漸增加，性能不斷提升，應用領域不斷拓展，在可預見的將來，立方體衛(wèi)星將會進一步發(fā)展，并在通信、遙感、深空應用、空間科學試驗、新航天器研發(fā)與研發(fā)體制創(chuàng)新等領域得到更廣泛應用。以美國為代表的世界各國都將立方體衛(wèi)星研發(fā)作為未來航天發(fā)展的重點之一，制定了規(guī)劃并加大了投入，該領域必將成為未來發(fā)展的熱點及競爭的角力場。為此，必須順應技術發(fā)展趨勢，把握當前寶貴時機，積極主動布局，以高性能立方體衛(wèi)星研究為牽引，探索研發(fā)管理模式，為形成空間微系統(tǒng)技術優(yōu)勢，開拓新興高性能微小衛(wèi)星應用市場奠定基礎。

供配電系統(tǒng)是立方體衛(wèi)星的基礎系統(tǒng)，為適應立方體衛(wèi)星的發(fā)展，結合當前航天器供配電系統(tǒng)的研發(fā)實際，需要從以下幾個方面加強研發(fā)投入。

1）加強頂層設計，建立標準規(guī)范

立方體衛(wèi)星提出的目標之一就是為了形成統(tǒng)一的標準規(guī)范，創(chuàng)新航天器研制模式，提高航天器研制效率。標準規(guī)范是立方體衛(wèi)星（供配電）技術的制高點，適合頂層設計與攻關，特別適合總體單位開展標準規(guī)范設計，要乘立方體衛(wèi)星蓬勃發(fā)展而相關標準規(guī)范還未成熟之機，提前謀劃，盡快開展相關研究工作。

2）加強關鍵技術研發(fā)攻關

關鍵技術突破是供配電系統(tǒng)進步的關鍵點，加強最大功率點跟蹤技術、芯片化集成技術、微型可展開式太陽翼、高比功率蓄電池、高效薄膜電池等技術的突破與應用，是下一步供配電系統(tǒng)進步的關鍵。

3）探索技術研發(fā)新途經(jīng)，加強技術引領與轉化

由于立方體衛(wèi)星研制周期短、成本低，非常適合進行空間技術試驗，因此應利用該優(yōu)勢，進行供配電系統(tǒng)前沿技術的開發(fā)驗證及技術轉化；比如將欲在大衛(wèi)星上使用的技術，可先在立方體衛(wèi)星上試驗驗證，待成熟后再轉至大衛(wèi)星上應用，這樣不但能大大降低技術風險，還能促使大膽試驗、使用先進技術，利于實現(xiàn)供配電技術引領。

另外，由于立方體衛(wèi)星研制建立在統(tǒng)一的規(guī)范標準之上，適合進行模塊化研發(fā)設計，即插—即測—即用的立方體衛(wèi)星，可以形成一系列標準化的研發(fā)、生產(chǎn)、組裝、測試流程，因此，要以立方體衛(wèi)星研制為契機，不斷探索供配電系統(tǒng)（包括大衛(wèi)星）研制新模式與途經(jīng)。

4）提高集成化水平

必須不斷提高供配電系統(tǒng)的集成化水平，以滿足立方體衛(wèi)星不斷提高的功率密度要求，特別是要加強對自研技術的芯片化集成技術研究。自研技術的集成化需要先進行分立技術的研發(fā)與驗證，然后再根據(jù)研發(fā)結果，交付集成廠商進行集成化生產(chǎn)。分離元器件開發(fā)后是否進行芯片集成化生產(chǎn)會極大地影響分離研制階段的技術要求，如要進行芯片集成化生產(chǎn)，則對分離元器件研發(fā)階段的各項技術參數(shù)的要求會更具體、更明確，對技術內(nèi)部機制需要更清楚明確，這能大大提高研制人員的理論技術水平，大大提高供配電工程技術能力。

5）探索系統(tǒng)研發(fā)、集成、測試新模式

由于立方體衛(wèi)星基于統(tǒng)一的標準規(guī)范，供配電系統(tǒng)更便于模塊化、標準化研制，能形成不一樣的系統(tǒng)研發(fā)、集成、測試新模式，也便于進行研發(fā)、集成及測試試驗，這為航天供配電系統(tǒng)研制過程優(yōu)化、系統(tǒng)集成、測試創(chuàng)新提供了便利條件，必須加強對供配電系統(tǒng)研發(fā)、集成、測試新模式的探索研究。

6）發(fā)展軟件，提升供配電系統(tǒng)總體能力

由于體積所限及系統(tǒng)監(jiān)督管理及智能化的要求，立方體衛(wèi)星供配電系統(tǒng)更多地通過軟件實現(xiàn)相關功能，軟件更便于知識產(chǎn)權保護，更能掌控核心技術，更能提升總體掌控及協(xié)調(diào)能力。另外，在立方體衛(wèi)星上能很好地對軟件的空間使用進行試驗，這為在大衛(wèi)星供配電系統(tǒng)中更多地推進軟件化設計提供有力支撐，對供配電系統(tǒng)技術提升，加強總體能力有著積極作用。未來軟件將在供配電系統(tǒng)研發(fā)中扮演越來越重要的角色，因此應突破傳統(tǒng)思維，大力發(fā)展供配電系統(tǒng)軟件研發(fā)與應用。

6　結束語

相比大型衛(wèi)星，立方體衛(wèi)星功率、體積小，但其電源系統(tǒng)功能完備，具有不同的設計及技術特點，研制涉及面廣，立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制帶來了一些新的課題，如高集成化設計、新技術新拓撲應用、智能化設計、模塊化設計、標準化等。由于立方體衛(wèi)星研制的低成本及方便性，給航天器電源系統(tǒng)新技術驗證、新研制流程探索等帶來了新的契機。同時立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)與民用有很好的契合點，具有較好的民用轉化前景。拓撲設計是立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)設計的重要環(huán)節(jié)，其關系到系統(tǒng)效率、功率容量、其它系統(tǒng)設計的難易，這常常容易忽略。立方體衛(wèi)星中，電源系統(tǒng)設計與其它系統(tǒng)設計有更高的耦合度，也增加了其設計難度。

立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制涉及面多，沒有明確的知識技術架構，本文通過對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)發(fā)展概況、基本原理及關鍵技術的介紹，使對立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)研制的關鍵點、難點、發(fā)展趨勢等有一個基本的把握，這有助于立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的研制開發(fā)。立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)相關技術發(fā)展很快，現(xiàn)在的關鍵技術、難點技術隨著技術發(fā)展會發(fā)生變化，在研制過程中要開闊思維，不能被現(xiàn)有技術和研制方式所束縛，特別是不能被大衛(wèi)星研制的技術及方式所限，要敢于采取新技術新想法，實現(xiàn)立方體衛(wèi)星電源系統(tǒng)的發(fā)展進步。

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（編輯：張小琳）

Power System and Its Critical Technologies of CubeSat

SHI Haiping FU Linchun ZHANG Xiaofeng
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

An introduction to the power system of CubeSat is described based on the investigation of power system of CubeSat.The principle of the power system is presented.Through contrast and analysis，and by considering the applications and the characteristics of the power system of CubeSat，the key technologies are sorted out and analyzed such as main topologies，system for realization of high power density，interface standards，and control of system power consummation. In summarization，the development trend and emphases of the CubeSat power system have been attained.Some advice on development of the CubeSat power system are brought forward.The results can be used as a reference for the layout and development of the CubeSat power system technology.

CubeSat；power system；topology；key technology

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.03.018

2016-01-15；

2016-05-04

石海平，男，碩士，工程師，從事航天器電源系統(tǒng)等研究工作。Email：163shppp@163.com。