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基于立方星的高性能空芯磁力矩器设计白博;周军;王圣允【摘要】To solve the problem that how to design a big magnetic moment, small size, light weight, low power consumption magnetorquer with air core under the constraint of limited volume and power in CubSate, multiobjective optimization design method is used.Firstly,based on the structure of the square support with multiple layer of the enameled wire wrapped, the magnetic moment model, power consumption model and mass model are deduced from square support size,enameled wire diameter and turn number, respectively. Secondly, according to the model of magnetic moment and power consumption,the multi-objective optimization design of magnetorquer with genetic algorithm(GA)is used under the constraint of limited mass and volume. Thirdly,based on the relation be-tween the magnetic moment and the magnetic induction intensity,the measurement method of the magnetic moment is designed. Finally,the designed parameter is implemented. The test result showed that the designed magnetorquer has the qualities of high linearity,low remanence,and it well met the requirements of CubeSat standard. The de-signed magnetorquer successfully applied in several CubeSats indicates the reliability of this design scheme.%针对立方星体积与功耗存在限制的情况下,如何得到磁矩大而体积小、重量轻、功耗低的空芯磁力矩器的问题,采用多目标优化的方法进行磁力矩器设计.按照正方型支座上缠绕多层漆包线的结构,分别推导了磁矩、功耗、质量与支座尺寸、漆包线直径以及绕线匝数之间的数学模型.根据磁矩与功耗的数学模型,在质量与体积均存在约束的情况下,采用遗传算法对磁力矩器进行多目标优化设计.根据磁感应强度与磁矩之间的关系,设计了磁矩的测试方法.最终,将所设计的参数进行了具体实现.对磁力矩器的测试结果可以看出,所设计的磁力矩器不仅输出磁矩线性度高、剩磁小,而且满足立方星标准的要求.所设计的磁力矩器在多颗立方星上的成功应用表明了该设计方案的可靠性.【期刊名称】《西北工业大学学报》【年(卷),期】2018(036)001【总页数】6页(P1-6)【关键词】立方星;磁力矩器;多目标优化;约束优化【作者】白博;周军;王圣允【作者单位】西北工业大学精确制导与控制研究所,陕西西安 710072;西北工业大学精确制导与控制研究所,陕西西安 710072;西北工业大学精确制导与控制研究所,陕西西安 710072【正文语种】中文【中图分类】V448.22立方星(CubeSat)的概念最早由加州理工大学San Luis Obispo教授和斯坦福大学Bob Twiggs教授共同提出并制定了立方星相关标准[1]。
立方星剩磁在轨辨识与主动补偿技术李烨;郁丰;王群仰【摘要】立方星的姿态测量与控制系统常采用磁测磁控结合偏置动量轮的方案，整星剩磁干扰力矩是影响姿态控制精度的重要因素之一。
提出了一种利用磁强计实现剩磁矩在轨辨识与利用磁力矩器实现剩磁矩主动补偿的新方案：基于磁强计输出和卫星姿态动力学建立了剩磁矩在轨辨识模型，并利用采样滤波器（UKF）提高单磁强计条件下的辨识效果；把控制对象简化成线性定常系统，分析了剩磁干扰力矩对姿态的影响数学模型，并针对磁力矩器和磁强计分时工作的特点，基于叠加性原理提出了基于角速度的剩磁矩主动补偿算法。
仿真研究表明，在1000 s内剩磁矩在轨辨识精度为0.001 A m2量级，主动补偿后，偏航角、滚动角与俯仰角控制误差分别从4.3°、4.6°与2.1°均减少至0.4°以内。
提出的方法为类似配置卫星减少剩磁干扰力矩的影响提供了一种新思路。
%A CubeSat usually utilizes magnetometer, magnetorquer and momentum wheel to determination and control its attitude, and the remanence disturbance torque is one of factors that influence the performance of the attitude determination and control system. A new method for realizing the remanence’s on-orbit estimation and compensation is proposed which only utilizes data from the magnetometer and the magnetorquer. First, a remanence on-orbit estimation model is derived by employing the magnetometer outputs and satellite attitude dynamics, and an unscented Kalman filter is utilized to improve the estimation with a single magnetometer. Second, after simplifying the system into a linear time-invariant system, the remanence disturbance which affects the satellite attitude is mathematically modeledaccording to the superposition principle, and then a remanence compensation method with the criterion of removing angular velocity disturbance is presented in consideration of time-sharing between magnetometer and magnetorquer. Finally, simulations are made which show that the remanence’s estimation accuracy is better than0.001A m2 in 1000s, and the heading, roll and pitch angles are reduced from 4.3°, 4.6° and 2.1° respectively to within 0.4°. The proposed method is a new way to reduce the remanence disturbance for satellites.【期刊名称】《中国惯性技术学报》【年(卷),期】2016(024)003【总页数】7页(P342-348)【关键词】剩磁;姿态测量与控制系统;在轨辨识;剩磁补偿【作者】李烨;郁丰;王群仰【作者单位】航天恒星科技有限公司，北京100086;南京航空航天大学航天学院，南京 210016;航天恒星科技有限公司，北京 100086【正文语种】中文【中图分类】V448.22立方星是一种质量与体积都极小的低成本卫星，大量采用商用器件，具有很高的功能密度，在国际上广泛应用于航天科学研究与大学教育[1-2]。
大赛详细要求一、概念组要求提出创新性的立方星设计与应用方案，并针对相关方案开展设计1.研究背景：对国内外立方星发展状况的了解介绍,对其发展趋势的总结任务描述：从所设计的立方星方案出发，基于创新应用需求和相应的技术指标要求，分析描述本设计方案的任务目标及其应用前景。
总体布局:完成立方星平台的总体布局设计，并对各主要分系统在星内布置做出必要的图文描述系统总体设计：根据具体任务，完成各系统的设计。
技术数据：给出所设计的立方星的主要技术数据，如几何尺寸，重量等性能数据：根据所提出的任务目标，分析和计算出本方案可达到的主要性能指标 创新性总结陈述：本届立方星设计大赛要求参赛作品科学、合理且具有创新性，并具备一定的可实现性。
进行概念设计时，可针对以上所有要求分别加以描述和创新设计从而完成设计报告，也可以对某一重点内容进行描述和创新设计从而完成设计报告。
二、实物组要求实物设计共有四个题目，参赛队可以选择其中一个或者几个完成设计。
1.电源系统：任务：设计一个立方星电源系统，实现对于太阳能电池板输出的储存与转换，用于卫星电源管理，并制作出实物。
实现功能：●有光照时，将太阳能板的输出进行变压，并将多余电能储存到锂电池；若再有剩余则将其耗散。
●无光照时，锂电池放电供卫星各系统利用。
●实现立方星电源管理，根据运行阶段对各系统启动与关闭。
在阴影区时，将不需要工作的分系统关闭。
●各部分电路的保护功能。
如充放电的过流过压保护等。
参数要求：●总质量：≤130g●PCB尺寸：≤88mm×98mm●两路电源输出:3.3V和5V●给电源板供电的外部能源可选锂电池或其他2.OBC板实现功能：●PWM波输出，实现磁力矩器控制；●板上温度检测；●6路模拟输入处理，采集太阳敏感器的输入；●SPI接口以及调试接口；●必要的存储空间，以满足指令与数据的存储；●一定数量的I/O接口；●可实现时钟及任务管理；●具有复位功能参数要求：●尺寸：96mm*90mm；●质量：<100g；●功耗：<800mw；●工作温度：-40℃~85℃3.控制系统设计要求任务背景：●卫星的姿态控制系统在卫星的飞行中有重要的作用，它能确保卫星在实际飞行中对姿态的要求，从而完成设定的任务。
CubeSat立方星介绍1CubeSat概述CubeSat即立方星，是一个结构形状呈立方体的微小卫星。
这种卫星虽然重量轻体积小，但是能够搭载一定的空间实验载荷开展科学实验，并且价格低廉，目前已经成为一种国际化的微小卫星标准。
CubeSat标准最初是由加州理工大学和斯坦福大学的一个团队于1998年发起的，而第一次CubeSat发射是在2003年。
标准化大大方便了卫星的测试与发射，确保了技术延续性和成熟度，并极大并降低了成本，这对于大学这样的研究机构开展相关空间方面的研究是十分有利的，同时也能调动广大学生的创新意识，因此获得了高校和研究机构的广泛关注。
之后CubeSat如同雨后春笋般出现，至今已有几十颗成功发射。
CubeSat标准定义了卫星的标准尺寸，必要的机械结构以及通用的用于卫星释放的运载适配器装置（即星箭接口，每个装置中可以容纳3颗CubeSat卫星）等（/images/developers/cds_rev12.pdf）。
立方星以“U”进行划分，所谓1U即指一个标准单元（体积10×10×10cm3的立方体，重量约1kg）。
1kg重量中按如下方式分配：●结构500g●平台系统200g●电池100g●任务载荷＜200g立方星是模块化的架构，可以“U”为单位在一个轴或多个轴上扩展，形成2U、3U甚至更大的立方星。
目前发射最多的是3U构型的立方星。
常见的规格如下：表格1-1 1U和3U立方星常见规格及技术水平表格1-2 微小卫星规格划分根据微小卫星的分类，立方星属于纳星范畴。
我国首次参加的CubeSat项目是欧洲的QB50-CubeSat工程。
QB50工程由比利时冯卡门流体动力学研究所（VKI）联合欧空局（ESA）、陕西省微小卫星工程实验室（SELM）、荷兰代尔夫特理工大学等世界多个研究机构共同提出：采用50颗CubeSat组网，实现对目前人类尚未深入涉足的低层大气进行多点在轨测量，同时在星座中开展卫星再入大气层过程的一些相关研究。
关于磁力矩器设计的航天标准
磁力矩器是一种在航天器中常用的设备，用于控制航天器的姿态。
磁力矩器的设计需要符合一系列的航天标准，这些标准涉及到磁力矩器的性能、安全、可靠性等方面。
首先，磁力矩器的设计需要符合航天器的整体设计标准，包括航天器的结构、材料、电子设备等方面的要求。
磁力矩器的尺寸、重量、安装方式等需要符合航天器的整体设计规范，以确保其能够与航天器的其他部件完美配合。
其次，磁力矩器的设计需要符合航天器的环境适应性标准。
航天器在太空中会受到各种极端的环境影响，包括真空、辐射、温度变化等。
因此，磁力矩器的设计需要考虑到在这些极端环境下的性能表现，确保其能够稳定可靠地工作。
此外，磁力矩器的设计还需要符合航天器的安全标准。
磁力矩器作为航天器姿态控制的重要部件，其设计需要考虑到在任何情况下都不会对航天器造成损坏或危险，同时也需要考虑到磁力矩器本身的安全性，避免在工作过程中出现故障或意外情况。
最后，磁力矩器的设计还需要符合航天器的性能标准。
磁力矩器需要具有良好的控制精度、响应速度、稳定性等性能，以确保航天器能够准确地进行姿态控制，并且能够适应不同的任务需求。
总的来说，磁力矩器的设计需要考虑到航天器整体设计、环境适应性、安全性和性能等多个方面的要求，以确保其能够在航天任务中发挥良好的作用。
航天标准对磁力矩器的设计起着至关重要的作用，也是保障航天器安全和任务顺利完成的重要保障。
