CubeSat系统结构与应用研究

黄 浩，刘成鑫，张恩龙

（重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400000）

1 CubeSat系统简介

CubeSat是一类小型卫星，属于微纳卫星范畴，广泛应用于高校和科研机构的教育及航空航天研究。CubeSat针对低轨道空间任务而研制，可应用于通信，空间成像，生物学研究，大气分子研究，新技术验证平台等诸多方面。作为传统卫星的一种更为廉价的替代品，凭借技术进步带来的硬件微型化成果，当前，CubeSat技术及相关项目已获得飞速发展，成为探索太空的一种有效方式，并得到了实际应用[1]。

CubeSat项目始于1999年，由美国加州理工州立大学的Jordi Puig-Suari教授和斯坦福大学空间系统开发实验室的Bob Twiggs教授共同提出。该项目的目的是为皮卫星（picosatellites）的设计提供一个标准，以降低成本和开发时间，从而开展低成本科学研究，发射空间载荷，进行国际合作。

CubeSat是由一个或多个质量小于1.33 kg，边长为10 cm的立方体组成，每一个立方体称为1个单位（1U）[2]。通常，CubeSat的大小以它们的“U”的数量来衡量。常见的CubeSat规格一般为1U，2U，3U，6U。CubeSat项目多用于学术和研究目的，能够搭载诸如天体物理实验、无线电广播、地球观测、空间生物学研究等任务的载荷，由于其低启动成本和短开发周期，CubeSat在高校科研，商业项目和军队实验项目的应用中受到越来越多的关注。

2 CubeSat系统组成

CubeSat相比传统卫星体积小，重量轻，有较为完整的卫星系统，其核心平台系统包含星务计算系统、姿态控制系统、电源系统、热控系统和通信系统等。

2.1 星务计算系统

星务计算系统是CubeSat整星综合控制和管理的必要系统，具有并行处理不同任务的多个计算机，并由这些计算机组成。其需要处理的任务有地面指令和数据，星上数据的采集、处理、存储和传送，有效载荷操作，姿控等子系统的数据接收和处理等。

2.2 姿态控制系统

CubeSat在轨道运行时，为了完成它所承担的任务，如对地观测照相机或者其他遥感器要对准地面、天线要对准地球上的卫星地面站、太阳能电池板要对准太阳，必须保持一定的姿态，需要定向地进行操作，就由相应的姿控系统对CubeSat在轨道上的姿态进行控制。一般的姿态控制系统由反作用轮、推进器、星形跟踪器、太阳传感器、角速率传感器等构成。

2.3 电源系统

CubeSat使用太阳能电池板来进行光电转换，并将电能存储在锂电池中。有阳光照射时，由太阳能电池板直接供应系统电力和给锂电池充电；在没有阳光照射或高耗能任务开启时由锂电池进行供电。CubeSat太阳能电池组件通常设计在机械结构表面，但这会限制覆盖面积。故可以采用伸展结构来加大太阳能电池板的面积，但这也会导致结构复杂化，若伸展结构出现故障不能解决的话，太阳能电池板不能展开发电，即意味着该CubeSat不能正常工作。

2.4 热控系统

CubeSat在轨道上受到多种热源的影响，如太阳辐射，从地球反射的阳光，以及CubeSat内部组件工作产生的热量。为保证CubeSat内部组件正常工作，需要将CubeSat内部温度维持在-5～40 ℃，可以采用的温控系统分为主动热控和被动热控，但是精确的温度控制是很难实现的。主动热控为由星务计算系统控制CubeSat内部温控系统主动加热和降温。被动温控系统由多层隔热结构来来实现。受限于CubeSat的内部空间，优先采用被动温控系统。

2.5 通信系统

CubeSat通信系统主要承担着控制命令的传达，与地面站进行上传、下载数据，与其他CubeSat进行星间链路传输等任务。CubeSat的星载通信系统大多工作于VHF/UHF业余无线电频段。一般有大量数据传输任务的CubeSat会搭载两套通信系统，一套用于低速的控制命令传输，另一套则专用于任务数据高速传输。

3 CubeSat的主要应用

CubeSat技术在过去十多年内迅速发展并充分演变，从大学实验室逐渐发展到商业提供商的范畴。自1999年，加州理工州立大学和斯坦福大学确定CubeSat规范以来，学术界发射的CubeSat占据了总发射量的大多数，其用途通常用于地球观测或业余无线电项目。

与2012年相比，2013年重量小于50 kg的小型卫星发射数量增长了330%，发射的92颗小型卫星中，85颗是属于CubeSat类别的[3]。近年来，随着市场上ISIS，Planet Labs，SpaceX和Spire等商业公司的出现，预测在2014—2020年会发射2 000多个小型卫星。

CubeSat具有标准发射接口、低制造和低发射成本，能够满足大学，研究机构和商业公司培养航天人才、以较低成本开展空间科学研究和探索空间新技术、新器件的需要，具有广泛的应用领域和市场前景，其主要应用领域如下。

3.1 观测任务

观测任务一直是传统卫星所需执行的一项重要任务。观测是人们生活的需要，比如气象观测、地质观测，同样也是国防建设与国家安全的需要，比如制空权、制海权、制天权、制信息权都与卫星的观测密切相关。而CubeSat凭借着低成本、易于空间组网的优势，能够很好地承担起观测任务。例如，2015年9月25日发射的“南京理工一号”卫星，将通过对全球海上船舶进行观测，起到船舶定位的作用。又如2018年2月2日搭载长征二号丁火箭发射的“风马牛一号”卫星就是世界上第一颗全景卫星，这颗3U的CubeSat配备了4K高清全景摄像头，可以360度全方位呈现太空高清照片，每天过境中国3次，可实现与地球的实时传输，提供观测数据。

3.2 分布式空间组网

CubeSat体积小，功能单一，但由于其能够在较短的时间内实现低成本的规模生产，并且可以实现“一箭多星”的发射，例如QB50项目[4]，因此，CubeSat在执行以星座组网或星群编队的形式执行分布式空间任务时，表现出很大的优势。CubeSat在组网条件下，能充分利用星群网络下卫星数据可互为辅助补充和增强的特点，将某些复杂的卫星功能组合化和分布化，从而更好地进行功能协调，资源共享。分布式CubeSat卫星系统可执行的典型空间任务包括分布式导航、分布式通信，以及编队飞行光学遥感和测量等。例如，NASA设想在低地球轨道投放足够的CubeSat，构建一个基于互联网及相关服务的“第5代通信和网络系统”卫星星座，进而大幅度提高移动通信服务能力[5]。

3.3 新技术技术演示验证平台

CubeSat是为新技术演示验证提供了一个有效的平台，可对微米技术，包括微机电技术（ Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）、专用集成微型机械装置、微光电机系统和其他微型机械装置，以及纳米技术、FPGA技术、可编程片上系统（SoPC）或片上系统（SoC）技术等进行太空演示验证。此外，还可以开展诸如星群间无线通信、卫星编队飞行、空间环境的科学测量以及生物领域研究等任务。例如，进行编队飞行技术演示验证的“加拿大先进纳太空实验”卫星系列、用于测试微生物对太空微重力和辐射环境的适应能力和有机分子在太空的稳定性的O/OREOS生物立方星实验[6]。

4 结语

CubeSat因其具有体积小、成本低、功能扩展性强等优点，必将在未来得到更为广泛的应用。在此，本文浅谈CubeSat的未来发展方向。

4.1 工程标准化

推动接口标准化，实现模块组合、标准封装、标准运载、流水线集成，从而规范社会生产活动，规范市场行为，引领CubeSat领域建立更完善的秩序，促进CubeSat在技术上的相互协调和配合。

4.2 应用市场化

降低技术、工艺、材料门槛，实现商用现成产品（Commercial Off-The-Shelf，COTS），提高CubeSat商用价值，为其注入新的生命力。

4.3 组件微型化

发展微电子芯片技术，微卫星星元技术，降低体积、质量对CubeSat功能的限制。

立方体卫星CubeSat的发展已到了一个快速时期，未来将有更多的CubeSat投入到应用之中。尽管CubeSat目前存在着载荷能力有限、寿命短等不足，但CubeSat仍将逐渐成为世界航天活动高速发展的主要驱动力和重要发展领域，孕育着未来航天发展的重大变革。

[参考文献]

[1]廖文和.立方体卫星技术发展及其应用[J].南京航空航天大学学报，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]苏瑞丰，张科科，宋海伟.甚小型卫星发展综述[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.