CubeSat系統結構與應用研究

黃 浩，劉成鑫，張恩龍

（重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400000）

1 CubeSat系統簡介

CubeSat是一類小型衛星，屬于微納衛星范疇，廣泛應用于高校和科研機構的教育及航空航天研究。CubeSat針對低軌道空間任務而研制，可應用于通信，空間成像，生物學研究，大氣分子研究，新技術驗證平臺等諸多方面。作為傳統衛星的一種更為廉價的替代品，憑借技術進步帶來的硬件微型化成果，當前，CubeSat技術及相關項目已獲得飛速發展，成為探索太空的一種有效方式，并得到了實際應用[1]。

CubeSat項目始于1999年，由美國加州理工州立大學的Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大學空間系統開發實驗室的Bob Twiggs教授共同提出。該項目的目的是為皮衛星（picosatellites）的設計提供一個標準，以降低成本和開發時間，從而開展低成本科學研究，發射空間載荷，進行國際合作。

CubeSat是由一個或多個質量小于1.33 kg，邊長為10 cm的立方體組成，每一個立方體稱為1個單位（1U）[2]。通常，CubeSat的大小以它們的“U”的數量來衡量。常見的CubeSat規格一般為1U，2U，3U，6U。CubeSat項目多用于學術和研究目的，能夠搭載諸如天體物理實驗、無線電廣播、地球觀測、空間生物學研究等任務的載荷，由于其低啟動成本和短開發周期，CubeSat在高校科研，商業項目和軍隊實驗項目的應用中受到越來越多的關注。

2 CubeSat系統組成

CubeSat相比傳統衛星體積小，重量輕，有較為完整的衛星系統，其核心平臺系統包含星務計算系統、姿態控制系統、電源系統、熱控系統和通信系統等。

2.1 星務計算系統

星務計算系統是CubeSat整星綜合控制和管理的必要系統，具有并行處理不同任務的多個計算機，并由這些計算機組成。其需要處理的任務有地面指令和數據，星上數據的采集、處理、存儲和傳送，有效載荷操作，姿控等子系統的數據接收和處理等。

2.2 姿態控制系統

CubeSat在軌道運行時，為了完成它所承擔的任務，如對地觀測照相機或者其他遙感器要對準地面、天線要對準地球上的衛星地面站、太陽能電池板要對準太陽，必須保持一定的姿態，需要定向地進行操作，就由相應的姿控系統對CubeSat在軌道上的姿態進行控制。一般的姿態控制系統由反作用輪、推進器、星形跟蹤器、太陽傳感器、角速率傳感器等構成。

2.3 電源系統

CubeSat使用太陽能電池板來進行光電轉換，并將電能存儲在鋰電池中。有陽光照射時，由太陽能電池板直接供應系統電力和給鋰電池充電；在沒有陽光照射或高耗能任務開啟時由鋰電池進行供電。CubeSat太陽能電池組件通常設計在機械結構表面，但這會限制覆蓋面積。故可以采用伸展結構來加大太陽能電池板的面積，但這也會導致結構復雜化，若伸展結構出現故障不能解決的話，太陽能電池板不能展開發電，即意味著該CubeSat不能正常工作。

2.4 熱控系統

CubeSat在軌道上受到多種熱源的影響，如太陽輻射，從地球反射的陽光，以及CubeSat內部組件工作產生的熱量。為保證CubeSat內部組件正常工作，需要將CubeSat內部溫度維持在-5～40 ℃，可以采用的溫控系統分為主動熱控和被動熱控，但是精確的溫度控制是很難實現的。主動熱控為由星務計算系統控制CubeSat內部溫控系統主動加熱和降溫。被動溫控系統由多層隔熱結構來來實現。受限于CubeSat的內部空間，優先采用被動溫控系統。

2.5 通信系統

CubeSat通信系統主要承擔著控制命令的傳達，與地面站進行上傳、下載數據，與其他CubeSat進行星間鏈路傳輸等任務。CubeSat的星載通信系統大多工作于VHF/UHF業余無線電頻段。一般有大量數據傳輸任務的CubeSat會搭載兩套通信系統，一套用于低速的控制命令傳輸，另一套則專用于任務數據高速傳輸。

3 CubeSat的主要應用

CubeSat技術在過去十多年內迅速發展并充分演變，從大學實驗室逐漸發展到商業提供商的范疇。自1999年，加州理工州立大學和斯坦福大學確定CubeSat規范以來，學術界發射的CubeSat占據了總發射量的大多數，其用途通常用于地球觀測或業余無線電項目。

與2012年相比，2013年重量小于50 kg的小型衛星發射數量增長了330%，發射的92顆小型衛星中，85顆是屬于CubeSat類別的[3]。近年來，隨著市場上ISIS，Planet Labs，SpaceX和Spire等商業公司的出現，預測在2014—2020年會發射2 000多個小型衛星。

CubeSat具有標準發射接口、低制造和低發射成本，能夠滿足大學，研究機構和商業公司培養航天人才、以較低成本開展空間科學研究和探索空間新技術、新器件的需要，具有廣泛的應用領域和市場前景，其主要應用領域如下。

3.1 觀測任務

觀測任務一直是傳統衛星所需執行的一項重要任務。觀測是人們生活的需要，比如氣象觀測、地質觀測，同樣也是國防建設與國家安全的需要，比如制空權、制海權、制天權、制信息權都與衛星的觀測密切相關。而CubeSat憑借著低成本、易于空間組網的優勢，能夠很好地承擔起觀測任務。例如，2015年9月25日發射的“南京理工一號”衛星，將通過對全球海上船舶進行觀測，起到船舶定位的作用。又如2018年2月2日搭載長征二號丁火箭發射的“風馬牛一號”衛星就是世界上第一顆全景衛星，這顆3U的CubeSat配備了4K高清全景攝像頭，可以360度全方位呈現太空高清照片，每天過境中國3次，可實現與地球的實時傳輸，提供觀測數據。

3.2 分布式空間組網

CubeSat體積小，功能單一，但由于其能夠在較短的時間內實現低成本的規模生產，并且可以實現“一箭多星”的發射，例如QB50項目[4]，因此，CubeSat在執行以星座組網或星群編隊的形式執行分布式空間任務時，表現出很大的優勢。CubeSat在組網條件下，能充分利用星群網絡下衛星數據可互為輔助補充和增強的特點，將某些復雜的衛星功能組合化和分布化，從而更好地進行功能協調，資源共享。分布式CubeSat衛星系統可執行的典型空間任務包括分布式導航、分布式通信，以及編隊飛行光學遙感和測量等。例如，NASA設想在低地球軌道投放足夠的CubeSat，構建一個基于互聯網及相關服務的“第5代通信和網絡系統”衛星星座，進而大幅度提高移動通信服務能力[5]。

3.3 新技術技術演示驗證平臺

CubeSat是為新技術演示驗證提供了一個有效的平臺，可對微米技術，包括微機電技術（ Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、專用集成微型機械裝置、微光電機系統和其他微型機械裝置，以及納米技術、FPGA技術、可編程片上系統（SoPC）或片上系統（SoC）技術等進行太空演示驗證。此外，還可以開展諸如星群間無線通信、衛星編隊飛行、空間環境的科學測量以及生物領域研究等任務。例如，進行編隊飛行技術演示驗證的“加拿大先進納太空實驗”衛星系列、用于測試微生物對太空微重力和輻射環境的適應能力和有機分子在太空的穩定性的O/OREOS生物立方星實驗[6]。

4 結語

CubeSat因其具有體積小、成本低、功能擴展性強等優點，必將在未來得到更為廣泛的應用。在此，本文淺談CubeSat的未來發展方向。

4.1 工程標準化

推動接口標準化，實現模塊組合、標準封裝、標準運載、流水線集成，從而規范社會生產活動，規范市場行為，引領CubeSat領域建立更完善的秩序，促進CubeSat在技術上的相互協調和配合。

4.2 應用市場化

降低技術、工藝、材料門檻，實現商用現成產品（Commercial Off-The-Shelf，COTS），提高CubeSat商用價值，為其注入新的生命力。

4.3 組件微型化

發展微電子芯片技術，微衛星星元技術，降低體積、質量對CubeSat功能的限制。

立方體衛星CubeSat的發展已到了一個快速時期，未來將有更多的CubeSat投入到應用之中。盡管CubeSat目前存在著載荷能力有限、壽命短等不足，但CubeSat仍將逐漸成為世界航天活動高速發展的主要驅動力和重要發展領域，孕育著未來航天發展的重大變革。

[參考文獻]

[1]廖文和.立方體衛星技術發展及其應用[J].南京航空航天大學學報，2015（6）：792-797.

[2]CALPOLY.CubeSat design speci fi cation[D].California：California Polytechnic State University，2012.

[3]MARINAN A，NICHOLAS A，CAHOY K.Ad Hoc CubeSat constellations: secondary launch coverage and distribution[C].Big Sky：Aerospace Conference，2013：1-15.

[4]BEDON H，NEGRON C，LLANTOY J，et al.Preliminary internetworking simulation of the QB50 cubesat constellation[C].Bogota：Communications. 2010：1-6.

[5]蘇瑞豐，張科科，宋海偉.甚小型衛星發展綜述[J].航天器工程，2013（6）：104-111.

[6]NATHAN E，BRAMALL，RICHARD Q，et al.The development of the Space Environment Viability of Organics (SEVO) experiment aboard the Organism/Organic Exposure to Orbital Stresses (O/OREOS) satellite[J].Planetary and Space Science，2011（7）：121-130.