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⼩卫星姿控与星务管理的⼀体化设计 第 2 期 CHINESESPACE SCIENCE AND TECHN OLOGY ⼩卫星姿控与星务管理的⼀体化设计廖明宏 耿云海 吴翔虎 程光明(哈尔滨⼯业⼤学,哈尔滨150001)摘要 介绍⼀种将姿控系统和星务管理系统融为⼀体的设计思想,它节约了星载机资源,提⾼了系统信息处理的实时性,很好地体现了⼩卫星的质量轻、体积⼩、成本低的优势。
对姿控系统的硬件组成、卫星的飞⾏模式和控制策略、星务管理软件的体系结构和总体设计思想、姿控软件和星务管理软件的接⼝设计等内容做了重点讨论。
主题词 姿态控制 星务管理 ⼩型卫星 ⼀体化设计1 引⾔⽬前,⼩卫星的概念没有统⼀的定义,但普遍认为质量⼩于500kg 的卫星称为⼩卫星[1]。
⼩卫星技术的发展⾮常迅速,⼤致可分为三个阶段:探索研究阶段、发展阶段和推⼴应⽤阶段。
⽬前的发展⽔平正处在第⼆阶段,即通过第⼀阶段探索研究和飞⾏实践结果,证实⼩卫星的确可以达到质量轻、体积⼩、成本低、周期短、性能⾼的要求。
为体现⼩卫星五⼤特点,⼈们引⼊了许多新的设计思想和技术,如⼀体化设计思想和集成公⽤模块技术,等等[2]。
充分开发软件功能,尽量减少硬件设备是减轻⼩卫星质量、降低成本、提⾼系统性能的重要⼿段。
姿控分系统和星务管理分系统(或称为数管分系统)是⼩卫星系统两个重要的组成部分。
在传统的卫星设计中,这两个分系统是独⽴设计的,即各⾃拥有⾃⼰的星载计算机和相应的软件系统。
为提⾼系统的可靠性,两个分系统都有⾃⼰的备份计算机。
这种设计⽅案⼀⽅⾯浪费星载机资源;另⼀⽅⾯增加星载机之间的数据传输量,降低遥测遥控的实时性。
本⽂以正在研制的⼩卫星——探索⼀号⼩卫星(TS-1)为例,介绍⼀种融姿控系统和星务管理系统为⼀体的设计思想,并重点讨论姿控软件和星务管理软件的⼀体化设计。
探索⼀号⼩卫星是⼀种⽴体测绘科学试验卫星,主要⽤于对地照相,形成电⼦地图。
在设计中集中体现了“⼀体化”的研制思想:融合了微电⼦、新材料、新⼯艺等⾼新技术成果;采⽤了以星载计算机⽹络为核⼼的电⼦系统集成技术;姿控软件与星务管理软件的⼀体化设计技术。
哈工大第六屆小衛星學者計畫
宗旨：
為進一步增強大學生之間的友誼、增進相互瞭解，並促進兩地四地精英學子之間的交流。
哈爾濱工業大學設立了“小衛星”學者計畫，汲取哈工大小衛星的精神，希望精英學子在調研、考察、討論中增進友誼，共同交流，共同學習。
一、主辦單位：哈爾濱工業大學
二、承辦單位：哈爾濱工業大學港澳臺事務辦公室
三、活動日期：2013年12月25日至2013年12月31日
四、報名形式與要求：
1. 名額2人/校。
2. 以團隊形式參加，大學部及研究所學生均可參加。
3.參加交流營同學原則上應為香港、澳門、臺灣本土同學。
五、注意事項與溫馨提示：
1. 保險：請各位參加交流營的同學在來哈之前自行購買保險。
2. 證件：請參加交流營的同學攜帶相關身份證件。
3. 來校：各校儘量以團組形式來我校，以便安排人員及車輛接機。
4. 備注：請與我校聯絡確認後再通知同學購買來哈機票。
六、團費：
1. 每位同學自行承擔由所在地至哈爾濱的機票、火車票等旅費。
2. 哈爾濱工業大學提供交流期間的住宿、餐飲及參觀門票等費用。
不可錯過的好機會! 歡迎您的加入!
附：詳細行程表:
*具體行程會因為當時情況作調整。
人造卫星制作课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解人造卫星的基本概念、分类及其在航天领域的应用。
2. 学生掌握人造卫星制作的基本原理，包括结构、能源、通信等关键技术。
3. 学生了解我国航天事业的发展历程，知道人造卫星在我国科技发展中的地位。
技能目标：1. 学生能够运用所学的知识，设计并制作一个简单的人造卫星模型，提高动手实践能力。
2. 学生通过小组合作，培养团队协作能力和问题解决能力。
3. 学生能够运用科学方法，对人造卫星制作过程中的问题进行探究和分析。
情感态度价值观目标：1. 学生培养对我国航天事业的热爱和自豪感，增强国家意识。
2. 学生通过人造卫星制作课程，激发对科学技术的兴趣和求知欲，培养创新精神。
3. 学生在学习过程中，养成积极思考、勇于实践的良好习惯，形成积极向上的学习态度。
课程性质分析：本课程为人造卫星制作课程，结合物理、工程技术等学科知识，注重实践操作和团队合作。
学生特点分析：学生为八年级学生，具有一定的物理知识基础，好奇心强，喜欢动手实践，但可能缺乏团队合作经验和问题解决能力。
教学要求：结合学生特点，注重理论知识与实践操作相结合，强调团队合作和问题解决能力的培养，以实现课程目标。
通过课程学习，使学生达到上述具体学习成果，为后续教学设计和评估提供依据。
二、教学内容根据课程目标，本章节教学内容主要包括以下几部分：1. 人造卫星基本概念与分类- 了解人造卫星的定义、功能及其分类- 学习我国人造卫星的发展历程及重要成果2. 人造卫星制作原理- 掌握人造卫星的结构、能源、通信等关键技术- 学习卫星轨道、姿态控制等基础知识3. 人造卫星制作实践- 设计并制作一个简单的人造卫星模型- 学习使用相关工具和设备，进行组装、测试和优化4. 教学大纲与教材章节- 教学大纲：分为四个课时，分别涵盖上述内容- 教材章节：《航天技术基础》第三章“人造卫星及其应用”5. 教学内容安排与进度- 第一课时：人造卫星基本概念与分类，我国航天事业的发展历程- 第二课时：人造卫星制作原理，学习相关物理知识- 第三课时：人造卫星制作实践，分组设计并制作模型- 第四课时：总结与展示，评价各组作品，交流心得体会教学内容注重科学性和系统性，结合教材章节，确保学生能够系统地学习和掌握人造卫星制作的相关知识。
宇航技术的发展与微小卫星研讨课设计及教学实践①瞿智1，徐胤勃2，胡梅1，陈建云1，冯旭哲1（1.国防科技大学智能科学学院，湖南长沙410073；2.国防科技大学教研保障中心，湖南长沙410073）一、新生研讨课特点和宇航技术的发展与微小卫星课程大学一年级新生教育对于学生树立正确的学习态度、使学生融入专业学习、提高人才培养质量具有重要的意义。
美国高校普遍开展了不同形式的新生教育，取得了良好的效果。
新生研讨课起源于美国，是美国大学在继承“seminar”教学与科研相结合、独创精神与学术自由相统一、注重协作的教学理念的基础上发展而来的，面向大一学生的课程教学模式。
21世纪初，国内一批重点大学针对本科新生开设了新生研讨课，进行探索性研究教学模式上的尝试。
新生研讨课围绕“主题”来实施，每门课程都有一个主题，主要根据学校特色或学科专业的发展规划制定，课程教学以“讨论”为基础。
新生研讨课基本范式大致有学科导引式、前沿专题式、实践探索式和跨学科式等多种。
主要目的是引导新生学会研究，培养自身的创新精神和实践能力，通过查阅资料，主动发现问题、思考问题，逐步掌握研究的方法和思维方法，帮助新生明确专业学习方向，激发学习热情，增强自信心，锻炼自主学习能力，培养相互协作的团队精神[1-9]。
宇航技术是一门新兴的技术，随着各航天大国的不断发展，卫星的发展趋势呈现出新的变化：多功能集成化、网络化、微小型化、发射多样化、智能化和低成本经济化。
近年来，微米纳米技术、光学技术快速发展，新技术、新材料不断涌现，在微小卫星获得成功应用。
微小卫星能适应快速研制、应急发射的特殊需求，使其得到很多航天大国的重视。
微小卫星是航天器技术发展的必然产物，就综合应用而言，传统的大航天器已经不能完全满足需求，因此小型航天器、微航天器、纳航天器、皮航天器以及由多颗型航天器等组成的分布式航天器已经成为国际上航天器领域发展的热点之一[10-11]。
宇航技术的发展与微小卫星是为我校大一新生开设的一门研讨选修课程。
实验四接收机位置解算及结果分析（选作）一、实验原理GPS接收机位置的导航解算即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置，这是GPS 接收机的核心部分。
GPS接收机位置求解的过程如下：前序实验已经提到，导航电文与测距码（C/A码）共同调制L1载频后，由卫星发出。
卫星上的时钟控制着测距信号广播的定时。
本地接收机也包含有一个时钟，假定它与卫星上的时钟同步，接收机接收到一颗卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。
定时信息就包含在导航数据中，它使接收机能够计算出信号离开卫星的时刻。
同时接收机记下接收到卫星信号的时刻，便可以算出卫星至接收机的传播时间。
将其乘以光速便可求得卫星至接收机的距离R，这样就把接收机定位于以卫星为球心的球面的某一个地方。
如果同时用第二颗卫星进行同样方法的测距，又可将接收机定位于以第二颗卫星为球心的第二个球面上。
因此接收机就处在两个球的相交平面的圆周上。
当然也可能在两球相切的一点上，但这种情况只发生在接收机与两颗卫星处于一条直线时，并不典型。
于是，我们需要同时对第三颗卫星进行测距，这样就可将接收机定位于第三个球面上和上述圆周上。
第三个球面和圆周交于两个点，通过辅助信息可以舍弃其中一点，比如对于地球表面上的用户而言，较低的一点就是真实位置，这样就得到了接收机的正确位置。
在上述求解过程中，我们假定本地接收机与卫星时钟同步，但在实际测量中这种情况是不可能的。
GPS星座内每一颗卫星上的时钟都与一个叫做世界协调时（UTC，即格林尼至时间）的内在系统时间标度同步。
卫星钟差可根据导航电文中给出的有关钟差参数加以修正，其基准频率的频率稳定度为10-13左右。
而本地接收机时钟的频率稳定度只有10-5左右，而且其钟差一般难以预料。
由于卫星时钟和接收机时钟的频率稳定度没有可比性，这样，就会在卫星至接收机的传播时间上增加一个很大的时间误差，严重影响定位精度。
为解决这一问题，我们通常将接收机的钟差也作为一个未知参数，与本地接收机的ECEF坐标（ECEF坐标系的定义在前序实验中已经给出）一起求解。
卫星定位导航原理实验专业：班级：学号：姓名：日期：实验一实时卫星位置解算及结果分析一、实验原理实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中占有重要的位置。
卫星位置的解算是接收机导航解算（即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置）的基础。
需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接收机的三维位置。
对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS时间。
而星历和GPS 时间包含在速率为50比特/秒的导航电文中。
导航电文与测距码（C/A码）共同调制L1载频后，由卫星发出。
本地接收机相关接收到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。
后续导航解算单元根据导航数据中提供的相应参数进行卫星位置解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算等工作。
关于各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算将在后续实验中陆续接触，这里不再赘述。
卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说11小时58分钟2.05秒；各轨道接近于圆形，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26560km。
由此可得卫星的平均角速度ω和平均的切向速度v s为：ω=2π/(11*3600+58*60+2.05)≈0.0001458rad/s (1.1)v s=rs*ω≈26560km*0.0001458≈3874m/s (1.2) 因此，卫星是在高速运动中的，根据GPS时间的不同以及卫星星历的不同（每颗卫星的星历两小时更新一次）可以解算出卫星的实时位置。
本实验同时给出了根据当前星历推算出的卫星在11小时58分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。
本实验另一个重要的实验内容是对卫星进行相隔时间为1s的多点测量（本实验给出了三点），根据多个点的测量值，可以估计Doppler频移。
由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler效应，而出现频率偏移。
卫星的运行总结教案教案标题：卫星的运行总结教案教学目标：1. 理解卫星的基本概念和运行原理。
2. 掌握卫星的分类和应用领域。
3. 能够描述卫星的运行轨道和周期。
4. 能够解释卫星与地球之间的相互作用。
教学重点：1. 卫星的基本概念和运行原理。
2. 卫星的分类和应用领域。
3. 卫星的运行轨道和周期。
教学准备：1. 多媒体投影仪。
2. 幻灯片或教学视频关于卫星的运行原理和应用。
教学过程：一、导入（5分钟）1. 利用多媒体投影仪展示一张卫星的图片，并引导学生观察、描述卫星的外观特征。
2. 引发学生对卫星的兴趣，提问：“你们知道卫星是如何运行的吗？它们有什么作用呢？”鼓励学生积极思考和回答。
二、知识讲解（15分钟）1. 使用幻灯片或教学视频向学生介绍卫星的基本概念和运行原理，包括：卫星是指人造的天体，通过发射器发射到太空中，绕地球或其他天体运行；卫星通过引力和离心力的平衡来保持稳定的轨道。
2. 介绍卫星的分类和应用领域，如通信卫星、气象卫星、导航卫星等，并展示相关图片或视频以增加学生的理解和兴趣。
三、概念讲解和实例分析（15分钟）1. 解释卫星的运行轨道和周期的概念，包括地球同步轨道、低轨道、中轨道和高轨道等。
2. 通过实例分析，让学生理解不同类型卫星的运行轨道和周期对其应用的影响。
例如，地球同步轨道的通信卫星可以保持与地面通信站点的稳定连接。
四、卫星与地球的相互作用（10分钟）1. 讲解卫星与地球之间的相互作用，包括引力、离心力和地球的自转等。
2. 引导学生思考和讨论卫星如何利用地球的引力和离心力来保持稳定的运行轨道。
五、总结与拓展（5分钟）1. 对本节课所学内容进行总结，并强调卫星的重要性和应用前景。
2. 鼓励学生积极参与相关科普活动，拓展对卫星和航天技术的了解。
教学延伸：1. 组织学生进行小组讨论，探究不同类型卫星的应用领域和运行特点。
2. 鼓励学生进行科学实验或模拟实验，模拟卫星的运行轨道和周期，并观察其运动规律。
［收稿时间］2019-03-28［作者简介］王峰（1981-），男，浙江江山人，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，博士，从事航天器总体设计与控制研究。
［摘要］以紫丁香2号卫星学生团队培养为例，介绍了紫丁香2号研发及相关课程设计。
微纳卫星团队的建立是课堂教学的有效延伸，也是对科研带动教学的有益尝试。
紫丁香2号微纳卫星的成功发射及运行验证了航天院校培养高水平人才创新培养新模式，为高等院校拔尖人才培养提供了新思路。
［关键词］紫丁香2号微纳卫星；创新；拔尖人才［中图分类号］G64［文献标识码］A ［文章编号］2095-3437（2020）03-0146-032020年3University Education以教学为中心，立德树人是高校教育的根本。
如何促进教学质量，提升教学水平，是高校一直以来重要的课题。
多年来的教学实践表明[1-4]，科研可以推动教学的发展。
科学研究工作对教学质量的提升主要体现在以下几方面：科研工作可以更新教学内容，丰富教学体系；可以促进教师教学水平的提高和教学理念的发展；可以丰富教学手段，提高学生的创新能力。
传统意义上的卫星研制是庞大的系统工程，随着商业资本陆续进入航天市场，研制门槛较低的微纳卫星正逐渐成为航天研制的热点。
微纳卫星的研制如果仍依赖于传统航天院所、高校教师，则其研制能力已远远不能满足目前的微纳卫星市场需求，因此，一些商业化的卫星公司应运而生。
哈尔滨工业大学（以下简称“哈工大”）近年来也在适应社会创新创业，在突破传统航天研制体系上进行探索。
其在科研上，结合理论研究，将一些全新的科研方法和成果应用到承担的型号卫星中。
在教学上，哈工大开设了一系列与卫星研制密切相关的专业选修课，让一线的卫星总师、卫星总指挥以及分系统主任设计师走上讲台。
结合科研与教学，哈工大试图通过科研带动教学，通过教学促进学生科研创新能力培养的形式，为航天领域培养富有竞争力的创新性工程人才[5]和拔尖技术人才。
卫星定位导航原理实验专业：班级：学号：姓名：日期：实验一实时卫星位置解算及结果分析一、实验原理实时卫星位置解算在整个GPS接收机导航解算过程中占有重要的位置。
卫星位置的解算是接收机导航解算（即解出本地接收机的纬度、经度、高度的三维位置）的基础。
需要同时解算出至少四颗卫星的实时位置，才能最终确定接收机的三维位置。
对某一颗卫星进行实时位置的解算需要已知这颗卫星的星历和GPS时间。
而星历和GPS 时间包含在速率为50比特/秒的导航电文中。
导航电文与测距码（C/A码）共同调制L1载频后，由卫星发出。
本地接收机相关接收到卫星发送的数据后，将导航电文解码得到导航数据。
后续导航解算单元根据导航数据中提供的相应参数进行卫星位置解算、各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算等工作。
关于各种实时误差的消除、本地接收机位置解算以及定位精度因子（DOP）的计算将在后续实验中陆续接触，这里不再赘述。
卫星的额定轨道周期是半个恒星日，或者说11小时58分钟2.05秒；各轨道接近于圆形，轨道半径（即从地球质心到卫星的额定距离）大约为26560km。
由此可得卫星的平均角速度ω和平均的切向速度v s为：ω=2π/(11*3600+58*60+2.05)≈0.0001458rad/s (1.1)v s=rs*ω≈26560km*0.0001458≈3874m/s (1.2)因此，卫星是在高速运动中的，根据GPS时间的不同以及卫星星历的不同（每颗卫星的星历两小时更新一次）可以解算出卫星的实时位置。
本实验同时给出了根据当前星历推算出的卫星在11小时58分钟后的预测位置，以此来验证卫星的额定轨道周期。
本实验另一个重要的实验内容是对卫星进行相隔时间为1s的多点测量（本实验给出了三点），根据多个点的测量值，可以估计Doppler频移。
由于卫星与接收机有相对的径向运动，因此会产生Doppler效应，而出现频率偏移。
让造卫星大班科学教案第一节：引言卫星是如今科技发展中不可或缺的一部分，它们在地球上空运行并执行诸多任务。
而在这个全球科技竞争激烈的时代，培养孩子们的科学技术意识变得尤为重要。
为了激发孩子们对科技的兴趣，并帮助他们了解卫星的制造和运行，我们可以设计一堂关于“造卫星”的大班科学教案。
这样的教案将为孩子们提供锻炼和展示他们创造力和科学思维的机会。
第二节：目标通过这堂课程，我们的目标是让学生了解卫星的作用，并引导他们设计和制造一个简单的模型卫星。
第三节：教学步骤1. 导入- 利用引人入胜的视频或图片展示一些真实卫星的图像。
- 引导学生思考和讨论卫星的作用，例如通讯、气象监测和导航等。
2. 讲解- 通过简单的语言解释卫星的基本工作原理，例如如何接收和发送信号等。
- 分享一些现实生活中使用卫星的例子，例如通过卫星进行手机导航等。
3. 小组活动- 将学生分成小组，并分配任务。
每个小组的任务是设计和制造一个简单的模型卫星。
- 学生应该讨论卫星的形状、材料和功能，并制定一个计划。
- 学生可以使用可用材料（如纸板、铝箔和彩色纸）创造模型卫星。
4. 制作模型卫星- 学生按照计划制作模型卫星。
- 教师应该积极参与，提供指导和帮助，但鼓励学生独立思考和解决问题。
5. 展示和讨论- 每个小组展示他们的模型卫星，并给予其他小组反馈。
- 教师引导学生讨论和探索每个模型卫星的特点和功能。
- 学生可以提出问题，例如“你的卫星能干什么？”或“为什么你选择这个形状和材料？”6. 结束- 总结本节课的内容，并再次强调卫星的作用和重要性。
- 鼓励学生思考关于卫星和科技的更多问题，并告诉他们这只是科学世界的一个小角落。
第四节：评估为了评估学生的学习成果，可以采用以下方法：- 观察学生在小组活动中的参与度和合作精神。
- 评估学生展示的模型卫星的创意和科学知识。
- 提供一个简单的写作任务，让学生回答一些与卫星相关的问题，例如“你认为卫星的作用有哪些？”第五节：延伸活动为了进一步拓展学生对卫星的学习和兴趣，可以安排以下延伸活动：- 组织实地考察，参观卫星制造或运行控制中心。
哈尔滨中小学航天专家讲座观后感心得收获观看哈尔滨中小学航天专家讲座后，我对航天科技有了更加深入的了解，也收获了许多知识和启示。
以下是我的观后感心得，总结了讲座中我所学到的关于航天科技的重要内容及对我个人的收获。
首先，在讲座中，航天专家详细介绍了航天工程的历史和现状。
我得知了航天科技的发展历程，从早期的火箭试验到今天的航天飞行器的多样化和现代化。
了解到人类在航天技术上取得的巨大进步和世界各国在航天领域的合作与竞争。
这种全面的了解让我对航天科技有了更加深入的认识，也激发了我进一步学习航天知识的兴趣。
其次，讲座中航天专家向我们介绍了一些航天技术方面的关键知识。
例如，他详细解释了航天器的组成和原理，包括推进系统、控制系统和载荷系统等。
通过这些介绍，我对航天器的结构和功能有了更加清晰的认识，并且了解到了航天器的设计和制造过程中的一些关键技术。
这些知识不仅增加了我的科学知识储备，也让我对科技的力量有了更加深刻的认识。
另外，在讲座中，航天专家还和我们分享了一些有趣的航天故事和趣闻。
例如，他提到了《流星花园》中的一幕，主角们在罗马的教堂穹顶下漫步，这实际上是在模拟无重力环境下的行走。
这让我对航天科技的应用有了更加贴近生活和身边的感受，同时也让我对航天科技的未来发展有了更加美好的期待。
此外，在讲座中，航天专家还给我们提供了一些关于未来航天科技发展的启示和思考。
他提到，未来的航天科技将会朝着更加智能化和数字化的方向发展，例如智能卫星和机器人技术的应用将会得到进一步提升。
这让我认识到科技的进步是不断推动着航天领域的发展，也让我对未来航天科技的发展充满了希望和期待。
通过观看这场航天专家讲座，我不仅学到了许多关于航天科技的知识，也收获了一些对于学习和未来发展的启示。
首先，我认识到了航天科技对于人类社会的重要性和影响力，这让我对科学技术的发展有了更加深刻的认识和理解。
其次，我深刻感受到了科技的力量和不断进步的动力，这激发了我学习科技知识的兴趣和热情。
编者按:随着信息技术与小型化技术的飞速发展与应用,传统的卫星研制技术出现了革命性的飞跃,原来需要几吨甚至十几吨重的卫星功能,现在可以通过几颗或几十颗数百千克乃至几十千克重以下的小卫星来实现,这使航天与空间科学应用领域出现了新的生机。
国际上通常将重量小于1000kg 的卫星称为小卫星。
实际上,对现代小卫星的定义更侧重于技术先进性与高功能密度。
虽然现代小卫星在技术与应用原理上与传统卫星具有继承关系,但在设计技术与应用场合方面有较大的不同。
现代小卫星技术已经渗透到现代军事斗争的各个领域,其广泛应用已经大大提高了现代军事斗争的整体作战性能,是取得现代信息战争主导权的主要手段之一。
对此进行全面的介绍和研究非常有现实意义,可以大大扩展通信工程技术人员、研究生和高年级本科生的知识面。
本刊从本期开始开设现代小卫星技术与应用的专题讲座,内容涉及各类现代小卫星的基本概念、系统组成、工作原理、特点、主要指标、关键技术、发展简史、应用现状、国内外典型卫星介绍及未来发展趋势,重点介绍各类卫星在空间科学试验、通信、导航定位、民用对地观测、成像侦察、电子侦察、目标监视等领域的应用。
现代小卫星技术与应用专题讲座(一)第1讲 现代小卫星技术现状与发展张艳娥1,常 江2,秦 洁3(1.解放军理工大学通信工程学院研究生3队,江苏南京210007;2.解放军理工大学通信工程学院卫星通信系;3.重庆通信学院基础部,重庆400035)摘 要:文中介绍了现代小卫星的定义、特点、小卫星的平台及有效载荷、发展概况、应用及发展趋势,并对小卫星的测控体制和技术,以及运载和发射进行了探讨。
小卫星具有价格低廉、发射方式和使用机动灵活、应用范围广、组网工作的特点。
未来小卫星技术发展趋势是小卫星平台的系列化、小卫星的小型化和一体化、小卫星自主能力的提高、虚拟卫星以及更加宽广的应用领域。
关键词:现代小卫星;平台;有效载荷;测控;编队飞行技术;虚拟卫星中图分类号:T N 927文献标识码:A 文章编号:CN32-1289(2006)02-0071-06Status an d Development of Modern Small Satellite TechnologyZH A N G Yan 'e 1,CH A N G J iang 2,QI N J ie3(1.P ostg raduate T ea m 3ICE,P L A U ST ,Nanjing 210007,China ;2.Depa rtment o f Satellite Communicatio n ICE ,P LA U ST ;3.Basic Department o f PL A Chongqing Institute of Co mmunicatio n,Cho ngqing 400035)Abstract :The definition and characteristics of the sm all satellite w ere intro duced,together第27卷第2期2006年6月军 事 通 信 技 术Jo urnal of M ilitar y Comm unications T echnolog y V ol.27N o.2Jun.2006 收稿日期:2006-01-16;修回日期:2006-02-27作者简介:张艳娥(1980-),女,硕士生.72军 事 通 信 技 术2006年w ith its platform and payload,the general dev elo pm ent,its application and the developm ent ten-dency,and T elem etry T racking and Comm anding system(T T&C)and satellite launch technolog y w er e discussed.T he sm all satellite is inex pensive,m obile,w idely-used,and w orking on net-w ork.T he futur e moder n sm all satllite techno logical tendency w ill mo ve tow ard the characteris-tics of platform seriatio n,satellite m iniaturization and integ ratio n,independent ability,v ir tual satellite,the new launcher and launch plan as well as the broader application.Key words:moder n small satellite;platform;pay load;T T&C;fo rmation flying;v ir tual satellite自20世纪80年代以来,卫星领域形成了两大发展趋势,一是向大型化方向发展,如M ilstarⅡ通信卫星、8X侦察卫星;二是向小型化方向发展,如美国的铱卫星。
作者： 亚文
出版物刊名： 奋斗
页码： 59-60页
年卷期： 2014年 第12期
主题词： 卫星技术;微小卫星;卫星发射;研制人员;预定轨道;航天产品;卫星平台;航天技术;系统总体技术;卫星研制
摘要：2013年9月25日12时37分。
惊天动地的轰鸣声在中国酒泉卫星发射中心响起。
＂快舟＂小型运载火箭成功将哈尔滨工业大学研制的第三颗小卫星＂快舟一号＂卫星发射升空。
在浩瀚的苍穹划出一道优美的弧线后,卫星顺利进入预定轨道。
从2004年的＂试验一号＂卫星到2008年的＂试验三号＂卫星,再到2013年的＂快舟一号＂卫星,哈尔滨工业大学卫星技术研究所的研制人员,凭借无以伦比的向心力协作攻关、开拓创新，一次又一次地筑就着＂哈工大人的航天梦＂，一次又一次地放飞着＂中国人的航天梦＂。
年季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目:现代小卫星系统技术专题课学生所在院（系）:学生所在学科:学生姓名:学号:学生类别:考核结果阅卷人（共6页）现代小卫星发展现状及其关键技术本文从卫星发展历程出发，介绍了现代小卫星的研究背景、分类以及国内外发展现状，阐述了现代小卫星技术的特点，并对现代小卫星技术的发展趋势进行了一定的展望。
1 研究背景1957年4月10日，苏联发射了人类历史上第一颗小型人造卫星“斯普特尼克号”(Sputnik)，这让人类首次意识到人造卫星可以被放入地球轨道。
自此之后，美国和苏联不断提升空间技术，将火箭有效载荷的大小和功率从原先的几十公斤和几十瓦特提高为上千公斤和上千瓦特。
同时，通过规模经济，在设计、制造、测试、检验、发射等多个环节适当降低成本，使得大型远程遥感卫星或大型通信卫星比小型卫星在成本效率上更具有优势。
以通信卫星为例，一个抛物面反射器只要通过一个小型多波束馈源就可以产生几十甚至几百的点波束用以支持密集的频率复用。
此外，空间科技发展过程中开发的大光圈和天线增益系统、接纳宇航员的空间装置以及大型科学仪器如哈勃望远镜等多种技术，都使得卫星大型化成为需要和可能。
因此，在首枚小型人造卫星发射成功之后的几十年中，卫星尤其是商业卫星的发展主流是不断制造和发射更大、更强、更具成本效益的卫星。
然而，随着科学技术和设计思路的革新，上世纪80年代中期，国际社会兴起了小卫星热潮。
这一时期的小卫星被称为现代小卫星，以区别于之前由于受到运载能力和技术水平限制生产的简单小卫星。
与以往的卫星相比，现代小卫星具有若干优势，例如重量轻、体积小、研制周期短(1~2年，甚至几个月)、技术更新快、性能好(功能密度高)、生存能力强(可多颗小卫星组成编队飞行或组成星座)。
近20年来，全世界总共发射了各种各样的现代小卫星约700颗，约占同期航天器发射量的20%。
小卫星不仅在军事领域发挥重要的作用，还在教育等领域被越来越广泛地应用。
小卫星的发射数量不断增多。
根据美国SpaceWorks公司(简称SEI)做出的2014年纳卫星/微卫星市场分析报告，仅2013年一年，重量在1~50公斤的纳卫星/微卫星的发射数量就多达92颗。
该报告还预测，至2020年全球范围内纳卫星/微卫星的发射数量将达到410~543颗。
根据上述分析，现对现代小卫星技术和发展进行研究，主要围绕现代小卫星的分类、国内外研究现状、现代小卫星的关键技术以及发展趋势等关键问题展开。
2 现代小卫星的分类过去小卫星分类大部分都是按质量来划分，个人认为质量是一个依据，但不是惟一的。
更主要是技术含量和可能获得哪些应用。
为此，本文按质量、技术支承和应用这三个要素对小卫星进行分类，在应用方面又考虑到现在与将来的发展关系。
现代小卫星大体可以分为三大类：小卫星、微卫星和纳卫星，这三类都分别由高新技术、微型技术和纳米技术作为技术支承，每类质量差别在一个数量级左右。
这说明采用不同的技术层次支承和新的设计思想，可使小卫星具有的功能大致相当，而质量能大幅度降低。
这里一个很重要的论点是：小卫星质量越来越轻是基于技术含量迅速地提高和设计思想不断改进，以及开发新的应用领域(例如虚拟卫星)所驱动。
离开上述观点，单纯比较某颗卫星的质量大小是没有什么实际意义的。
现把上述三类小卫星概念分述如下。
小卫星：它是应用新技术和新的设计思想研制出来的一种人造卫星，具有质量轻、体积小、成本低、周期短和性能好等特点，又称现代小卫星。
微卫星：其所有的系统和分系统都全面体现了微型技术(包括采用微米技术)，并且至少实现一种应用功能。
纳卫星：这种卫星是尺寸减到最低限度的微卫星(包括采用纳米技术)，在应用领域主要是依赖分布式星座(编队飞行)来实现其功能。
小于lkg的卫星称为皮卫星。
目前皮卫星大部分是用作空间技术试验或功能演示，还没有突破新的技术层次，将来可能在全固态硅卫星基础上发展。
纳卫星在技术实现时间阶段上可分为现在和将来两阶段。
“现在纳卫星”主要基于微机电系统(MEMS)技术和其他有关小型化与微型化器件。
这种卫星具有一定应用功能，更多的是进行空间技术试验，或者作为空间技术研究工具。
其质量大部分在上限，即l0kg级(甚至达20~30kg)，功耗在十几瓦。
“将来纳卫星”应用纳米技术和纳米材料，更多的是使用硅材料制成三维集成多芯片模块，由有限几个模块组成具有实际功能的卫星，模块之间联系不用电缆。
它又称固态卫星，质量在下限，即1~2kg，功耗几瓦。
其应用更多有赖于一种分布式星座来实现其功能。
3 国内外发展现状美国和英国首先跨入小卫星领域。
1984年，美国国防高级研究计划局(DARPA)实施“全球低轨道信息中继”计划(GLOMR)，制造了一颗重67.5kg的数字存储转发中继小卫星，这是小卫星发展史上的一个里程碑。
此后美国DARPA，NASA、海军以及一些大学和公司，相继研制了一系列的小卫星，包括之后其开发的母子星(JAWSAT)、纳卫星(先锋一号)、皮卫星(OPAL)，本世纪初美国军方研制了军用卫星MightySat系列多功能小卫星。
美国也成功实施了包括Iriduium，Globalstar和Orbcomm等星座系统。
美国NASA与哥达德航天中心(GSFC)的由100颗微小卫星组成“磁层星座”计划于2007年发射，其主要目标是微型卫星化。
美国的“21世纪技术卫星”计划TechSat21主要完成编队飞行试验和稀疏口径遥感研究，并准备实施SBR计划，验证虚拟卫星的可行性。
英国萨瑞大学率先成立小卫星技术公司SSTL，成功研制了“UoSAT”大学卫星系列，由此在全球掀起了一股研制应用小卫星的热潮。
在萨瑞大学发射的数十颗小卫星中，典型卫星有UoSAT12用于高分辨力对地观测技术、通信、推进及姿态技术研究，SNAP-1微小卫星演示航天器应用微机电器件的可能性和编队飞行。
目前世界上有十多个国家涉足小卫星研制领域，美国、俄罗斯、法国、英国、意大利都有自己的小卫星平台或星座。
印度、韩国、瑞典、丹麦、巴西、西班牙、以色列等许多中小国家也以研制小卫星为切入点，带动航天技术的发展，发展自己的空间能力。
经过多年的努力，我国在小卫星技术方面也取得了长足的进步，从1970年东方红1号的升空到目前已发送了五十余颗小卫星，取得了大量的科学数据。
目前我国进行小卫星研制的单位和成果主要有：航天东方红卫星有限公司研制的实践5号和海洋1号等；清华大学与英国萨瑞大学合作的清华1号；哈尔滨工业大学研制的探索系列号；上海微小卫星工程中心的创新1号；我国台湾地区在小卫星的研制和应用领域也很活跃，有中华卫星1号和中华卫星2号。
4 现代小卫星技术的特点目前国际上对于小卫星尚无确切定义，所用名称也不太统一。
简单地说，凡采用高新技术，具有重量轻、体积小、研制发射成本低、性能好、研制周期短、发射灵活、低轨运行等特点，重量在1000kg以下者，都可称为小卫星。
小卫星有以下技术特点：1.设计标准化和产品模块化大卫星为单个设计，从设计、试验到研制成功需8~12年时间，而小卫星只需3~4年。
随着小卫星技术日趋成熟，规格统一、设计标准化、装配模块化以及试验程序简化，使设计生产仅需几个月至1年就能完成。
2.技术集成化①装置集成化。
整个小卫星没有分系统概念，而是将整个卫星看成一个大的单机，通过高密度电子电路、微机械和微器件组合成一个整体。
②无线电路软件化。
在小卫星上将使用无线电路软件化设计，这样就去除了一些电子电路的硬件设施。
③电缆网路印刷化。
卫星内的一部分分布式电缆可作成印刷电路板，将各种电路板连接起来，减轻重量，减少插拨空间和提高可靠性。
3.快速吸纳新技术小卫星工作寿命相对于大卫星来说要短，这为小卫星技术改进、快速吸纳新技术，不断创造发展提供了可能。
4.发射灵活、启用速度快、杭毁能力强现代小卫星可利用多种形式的运载和发射工具，从准备到发射乃至起用仅需几天时间。
由于可以利用多颗小卫星组成星座，形成互为备份形式，所以当某颗卫星失效或在战争中被敌方毁伤时，均能快速地发射补充上去，使抗毁性能大大增强。
5.便于卫星组网小卫星适于多颗组网，组网形式主要有：随机相位星座、固定相位星座、网络星座。
5 小卫星发展趋势（1）卫星平台的通用化和系列化。
卫星平台系列化是形成批生产能力、支持卫星星座系统发展的基础。
英国萨瑞大学开发的50 kg级微小卫星平台在世界范围内得到广泛应用。
研制更加先进的公用平台是现代小卫星发展的关键。
（2）小型化和一体化技术。
小型化和一体化的直接效果是高可靠性、低成本和实用性，一体化设计包括星箭一体化、结构一体化，更高的目标是星地一体设计。
所涉及的技术十分广泛，主要有空间微机电技术、空间微光电技术、微纳技术、专用集成微器件、以及轻型高效电池研制技术和构建星体的新型复合材料技术等。
（3）卫星的自主能力。
包括自主导航和测控、自主解除星体异常、小卫星星群根据地面授予的任务自动调整构形。
提高卫星的自主能力可以在大大简化地面测控网的设计、节约系统费用的同时，提高测控的精度。
未来的发展趋势是采用智能计算机进行星上全面管理，实现卫星高度自主性。
利用结构自适应神经控制器随任意变化的情况自主改变算法，通过结构状况的监视和神经控制器的再配置，实现卫星结构的高度自主控制。
同时，尽量利用软件来实现硬件的功能，卫星软件可以在卫星飞行过程中不断升级，提高卫星的自主能力。
（4）编队飞行技术和虚似卫星。
虚拟卫星指由若干不同用途的小卫星按网络分布式概念组合，通过多颗卫星之间的协同来实现通信侦察和导航等任务的一种功能卫星，又被称为“网络卫星”虚拟卫星与Iridium系统和GPS系统有本质区别。
虚拟卫星可以利用微机电技术降低卫星的成本，通过卫星互联和功能分布，可以获得更好的性能，如雷达成像卫星通过互联获得大尺寸的等效孔径，得到高分辨力。
整个系统灵活性更强，容忍单点故障，并且通过改变各虚拟卫星之间的拓扑结构，重新组合，实时改变系统的性能指标，获得最适合当前任务的能力。
这都是大卫星所无法相比的。
高级编队飞行技术是实现虚拟卫星的一个主要关键技术。
美国“21世纪卫星”计划TechSat21，将实现三维非线性编队飞行。
总之，现代小卫星将进一步扩大应用领域，采用更先进的技术，成本更低、研制周期更短、功能更强的现代小卫星将得到进一步的发展。
6 结束语20年来的飞行实践证明，小卫星今后将继续发挥其优势和特点。
它将类似于上世纪70年代个人计算机的出现，从而引起当今世界信息革命和信息时代的到来。
同样地，小卫星技术的发展也将引起空间技术和空间应用一场巨大的变化。
今天对我们来说，小卫星没有过时，我们应该继续不断地提高小卫星本身的技术水平和深入研究与开拓小卫星在空间的应用。
