《国之重器出版工程星务小卫星技术》李孝同施思寒李捷

内容提要

本书基于我国小卫星事务管理技术（简称星务技术）二十多年的成功经验和创新内涵，将其推广到整个小微卫星的设计、制造和运行应用中，建立另一种新型卫星体系架构，称之谓“星务小卫星”。目前，国内许多小卫星都是依据它，在星上建立了星务系统。由于它的存在，使得复杂的卫星制造可以简化，使得星上的许多分系统“虚拟化”，部分硬件功能被软件功能替代，设备的功能可以软件定义，带来卫星运行管理的灵话性。同时，基于星务管理技术，使得卫星分系统、星上设备容易模块化，使其与卫星总体的接口和信息交换方便，带来总体与分系统的协调融合，整星运行有序无冲突。此外，本书还提出了一些企图在小微卫星工程中采用的部分新技术的不同设想或猜想，借以“抛砖引玉”促进小微卫星工程的进步。

第１章绪论…………………………………………………………………… 001
１．１小微卫星的出现……………………………………………………… 002
１．２小微卫星需求分析…………………………………………………… 005
１．３国外小微卫星发展概况……………………………………………… 008
１．３．１美国小微卫星发展现状…………………………………… 008
１．３．２欧洲小微卫星发展现状…………………………………… 016
１．３．３亚洲小微卫星发展现状…………………………………… 023
１．４我国小微卫星发展概况……………………………………………… 028
１．４．１ “ 希望一号” 卫星………………………………………… 029
１．４．２ “ 希望二号” 卫星………………………………………… 030
１．４．３ “ 珠海一号” 卫星………………………………………… 032
１．４．４ “ 创新一号” ／ “ 向日葵一号” 卫星…………………… 034
１．４．５ “ 皮星一号” ／ “ 皮星二号” 卫星……………………… 035
１．４．６ “ 天拓” 系列卫星………………………………………… 036
１．４．７ “ 紫丁香” 系列…………………………………………… 037
１．５小微卫星的特点……………………………………………………… 038
第２章小微卫星工程系统概论……………………………………………… 043
２．１小微卫星的航天任务工程系统……………………………………… 044
２．１．１航天任务工程系统………………………………………… 044
２．１．２小微卫星的航天任务的特点……………………………… 047
２．１．３小微卫星的航天任务的目标……………………………… 049
２．２小微卫星自动化技术………………………………………………… 050
２．２．１卫星自动化技术的内容…………………………………… 050
２．２．２卫星自动化系统的发展阶段……………………………… 053
２．２．３小微卫星自动化系统的进展……………………………… 058
２．３小微卫星工程及其进展……………………………………………… 061
２．３．１小微卫星工程……………………………………………… 061
２．３．２小微卫星的发展…………………………………………… 061
２．４小微卫星在航天任务中可承担的角色…………………………… 067
２．４．１作为空间的观察平台……………………………………… 067
２．４．２作为空间的中继站………………………………………… 067
２．４．３作为空间基准点…………………………………………… 067
２．４．４作为无人空间试验室……………………………………… 068
２．４．５作为空间星群组合体……………………………………… 069
２．５小微卫星总体设计…………………………………………………… 071
２．５．１小微卫星是一个复杂系统………………………………… 072
２．５．２小微卫星总体工作的基本方法…………………………… 077
２．５．３总体部的设计工作：总体设计…………………………… 085
２．５．４小微卫星总体设计过程的流程再造……………………… 095
第３章近地空间环境对小微卫星的影响…………………………………… 101
３．１地球引力场…………………………………………………………… 103
３．１．１地球引力场对运行轨道的影响…………………………… 103
３．１．２地球引力场对卫星姿态的影响…………………………… 109
３．２地磁场………………………………………………………………… 113
３．２．１地磁场模型…………………………………………………… 113
３．２．２地磁场对航天器的影响…………………………………… 116
３．２．３地磁场在航天器姿态测量和控制方面的应用…………… 118
３．２．４减少航天器剩磁矩的控制方法…………………………… 124
３．３地球大气……………………………………………………………… 125
３．３．１标准大气……………………………………………………… 126
３．３．２地球大气对航天器飞行轨道的影响……………………… 127
３．３．３地球大气对航天器姿态的影响…………………………… 131
３．４电离层环境…………………………………………………………… 132
３．４．１电离层及其对航天任务的影响…………………………… 132
３．４．２短波电磁波在航天任务中的应用猜想…………………… 136
第４章星务小微卫星概述……………………………………………………… 139
４．１星务小微卫星的体系结构…………………………………………… 141
４．１．１星务小微卫星的硬件体系结构…………………………… 141
４．１．２星务小微卫星的软件体系结构…………………………… 145
４．２星务小微卫星的元技术……………………………………………… 147
４．２．１内嵌式技术…………………………………………………… 147
４．２．２封装技术……………………………………………………… 155
４．２．３网络技术……………………………………………………… 157
４．２．４虚拟化技术…………………………………………………… 158
４．２．５核心芯片技术……………………………………………… 161
４．３星务小微卫星组成之一：星务系统……………………………… 161
４．３．１星务系统的定义…………………………………………… 161
４．３．２星务系统的基本设计思想………………………………… 163
４．３．３星务系统的发展阶段……………………………………… 165
４．３．４星务系统的组成…………………………………………… 170
４．３．５星务系统的功能…………………………………………… 172
４．３．６星务系统的技术特点……………………………………… 174
４．３．７星务系统的标准文件……………………………………… 179
４．４星务小微卫星组成之二：星体系统……………………………… 185
４．４．１星体系统的定义…………………………………………… 185
４．４．２星体系统的基本组成……………………………………… 186
４．５星务小微卫星组成之三：载荷系统……………………………… 192
４．５．１载荷设备的总体架构……………………………………… 193
４．５．２光学遥感卫星的载荷系统………………………………… 198
第５章星务小卫星的制造技术和软件定义方法…………………………… 201
５．１引言…………………………………………………………………… 202
５．２星务小卫星（ＸＷＳａｔ） ……………………………………………… 206
５．２．１概述…………………………………………………………… 208
５．２．２基于星务的新型小卫星（ＸＷＳａｔ）的架构……………… 214
５．２．３ＸＷＳａｔ的技术特点………………………………………… 218
５．２．４ＸＷＳａｔ的关键技术方法…………………………………… 225
５．２．５ＸＷＳａｔ的生产过程………………………………………… 229
５．３即插即用卫星与星务小卫星的对比……………………………… 230
５．３．１主要目的基本相似：快…………………………………… 230
５．３．２制造的技术路线不同……………………………………… 231
５．３．３基本组成结构相同：计算机系统＋网络………………… 232
５．３．４集成生产的基本元素（硬件）来源不同………………… 232
５．３．５星上基本元素（硬件）的架构基本相同：
设备本体＋计算机系统…………………………………… 233
５．３．６软件生产方式不同………………………………………… 233
５．３．７星上网的类型不同………………………………………… 235
５．３．８星上网运行管理原则基本相同：发布／订阅模型……… 235
５．４星务小卫星的软件定义方法………………………………………… 236
５．４．１软件无线电的硬件架构…………………………………… 236
５．４．２软件定义卫星的硬件架构………………………………… 243
５．４．３星务小卫星（ＸＷＳａｔ）的软件定义方法………………… 245
５．５小结…………………………………………………………………… 247
第６章虚拟（软件）化测控管技术………………………………………… 249
６．１虚拟遥测分系统及其技术…………………………………………… 252
６．１．１小卫星星务系统的遥测技术……………………………… 252
６．１．２统一遥测……………………………………………………… 257
６．１．３可控遥测……………………………………………………… 267
６．１．４虚拟遥测分系统…………………………………………… 269
６．１．５顶层标准文件之三：遥测数据格式约定………………… 272
６．２虚拟遥控分系统及其技术…………………………………………… 277
６．２．１遥控分系统的组成………………………………………… 277
６．２．２ＰＣＭ遥控…………………………………………………… 280
６．２．３分包遥控和统一遥控……………………………………… 294
６．２．４虚拟遥控系统……………………………………………… 306
６．２．５顶层标准文件之四：遥控数据格式约定………………… 307
６．３虚拟程控技术………………………………………………………… 314
６．３．１虚拟程控分系统及其技术………………………………… 314
６．３．２卫星自主管理……………………………………………… 336
６．３．３全星运行架构与工作流管理……………………………… 350
第７章虚拟姿控分系统及其技术…………………………………………… 353
７．１概述…………………………………………………………………… 354
７．２姿态确定工作从姿控过程中分离出来…………………………… 356
７．２．１单周期顺序流程姿态控制………………………………… 357
７．２．２快慢双周期姿控并行工作流程…………………………… 358
７．３网络姿态控制系统…………………………………………………… 362
７．３．１虚拟姿控分系统的架构及其软件可定义方法…………… 362
７．３．２网络姿控系统的组成和关键问题………………………… 366
７．３．３ＴＥＣＡＮ协议………………………………………………… 369
７．．３．．４ＴＥＣＡＮ协议调度算法及其在小卫星姿态控制
中的应用……………………………………………………… 372
７．４卫星姿态的逻辑控制………………………………………………… 380
７．４．１从姿态控制的推力器系统谈起…………………………… 381
７．４．２卫星姿态的逻辑控制方法………………………………… 389
７．５小结…………………………………………………………………… 401
第８章电源管理………………………………………………………………… 403
８．１概述…………………………………………………………………… 404
８．１．１电源分系统的组成和性能提升的方向…………………… 404
８．１．２工作原理和发展…………………………………………… 406
８．２数字分流调节器……………………………………………………… 409
８．２．１传统卫星电源的分流调节器……………………………… 409
８．２．２数字分流调节器的组成…………………………………… 413
８．２．３数字分流调节器的工作原理……………………………… 415
８．２．４三余度信号表决器的功能………………………………… 415
８．２．５数字分流调节器的好处…………………………………… 417
８．３自主充放电管理的蓄电池模块……………………………………… 417
８．３．１概述…………………………………………………………… 417
８．３．２双向ＤＣ／ＤＣ变换器………………………………………… 419
８．３．３蓄电池控制管理器………………………………………… 432
８．４太阳电池阵的两个极值跟踪问题…………………………………… 438
８．４．１问题的提出…………………………………………………… 438
８．４．２自寻优峰值功率跟踪……………………………………… 443
８．４．３太阳电池阵对日跟踪……………………………………… 456
８．５蓄电池的过充过放电保护、蓄电池充电的安时控制和
锂离子电池组的均匀充电控制……………………………………… 464
８．５．１蓄电池的过充过放电保护………………………………… 464
８．５．２蓄电池充电的安时控制…………………………………… 465
８．５．３锂离子电池组的均匀充电控制…………………………… 466
８．６带管理总线的电源母线技术………………………………………… 468
８．６．１问题的提出…………………………………………………… 468
８．６．２带电源管理的星上电网实现技术………………………… 472
８．６．３电源母线管理执行单元：ＭＥＵｐ ………………………… 474
８．７分布式电源系统……………………………………………………… 478
８．７．１问题的提出…………………………………………………… 478
８．７．２光热发电系统……………………………………………… 479
８．７．３废热发电系统……………………………………………… 480
参考文献…………………………………………………………………………… 481
索引……………………………………………………………………………… 489