第 2 页 本科毕业设计说明书

立方星的主要特点如下：轻小型化、轻量化、低功耗和低成本，一体化、模 块化和标准化，功能扩展性强，可快速组网、分散部署和生存能力强，使用灵活 并且可以及时发射[3]。立方星的主要用途包括：科学探索、技术在轨演示验证、 星间或星地通信和卫星组网等。

由于立方星的体积和功耗被严格限制，固其功能往往比较单一，如果每颗立 方星都进行单独发射，其成本将会非常高昂，不便于立方星的普及与推广。为降 低发射成本，可以采取“一箭多星”的发射特点，研制开发出一种标准的纳卫星 平台，在其基础上一次性装载多颗立方星，这样既降低了发射成本，又可以满足 不同的飞行任务需要。目前这一思路正被国内外学者广泛研究，比如欧盟的 QB50 项目就打算将 50 颗 CubeSat 发射进入低层空间进行大气研究；美国 NASA 组织也 正在积极开发自动操作、微型遥感器和结构紧凑的小推力推进系统,力争使卫星 微型化,让立方体纳卫星在太空空间发挥处更大的价值。

1.1.2 欧盟 QB50 项目

按照大气热状态特征，可以讲地球大气层分为逃逸层、低热层(电离层， 90-380km)、中间层、平流层和对流层。在对地球大气层的研究中，人类对低热 层的探测最少，如图 1.3 所示，主要原因是：

 高轨地球观测卫星携带有功能强大的遥感设备，依靠接收大气中不同高度成 分的反射信号，可对低至 100km 的热层进行测量。但是由于低热层空气稀薄， 反射信号极其微弱，高轨地球观测卫星并不是低热层的理想探测工具；

 地基激光雷达和微波雷达对空观测也存在同样问题，微弱的反射信号使得对 低热层探测很困难；

探测火箭可用于对整个低热层进行在轨测量，但火箭的飞行时间仅有几分 钟，而且一年内飞行次数有限，且每次仅能对低热层的一个局部进行在轨测 量；

 已经发射的大气探测器都运行在较高的椭圆轨道(200km-3000km)上，对 380km 以下特定区域的观测时间较短，仅为几十分钟。 鉴于以上问题，欧洲委员会下属第七框架协议的 QB50 项目[4]准备同时发射

50 颗两或三单元的 CubeSat(如图 1.4 所示)对人类探测最少的低热层进行探测。 该项目是由比利时冯卡门流体力学研究所(VKI，Von  Karman  Institute  of  Fluid

本科毕业设计说明书 第 3 页

Dynamics)牵头，欧盟第七框架出资，利用全球 50 颗立方星在轨、多点、长时间 探测地球低热层大气组成的科学研究项目。冯卡门流体力学研究所负责 QB50 项 目组织协调，科学实验任务设计，卫星发射和测控管理等。所有 50 颗立方星计 划于 2015 年 4~6 月之间由我国长征系列运载火箭发射入轨。

用于大气探测的 40 颗双单元立方星，尺寸均为 10x10x20cm，包括平台单元 和载荷单元。平台单元主要实现卫星姿态确定与控制、数据综合、通信、电源、 热控和结构等平台功能。载荷单元装载低热层探测所需的各类传感器，由 QB50 项目组选定，包括氧探测器 FIPEX、多针朗缪尔探针、离子质谱仪、中子质谱仪、 激光反射器和温度传感器。其余 10 颗二或三单元立方星将进行在轨演示验证和 卫星再入大气层(返回)试验。在轨演示验证的技术包括：2U/3U 模块化分离机构 在轨测试、太阳帆板技术、大气层再入技术、利用阻力帆和电动缆绳使卫星变轨 并坠落技术等[5]。各合作单位可以远程控制自己的 CubeSat，但与此同时也分享 其余 49 颗卫星的探测结果，然后共同交流，从而形成全面的系统研究成果[6]。 Adams+CATIA立方体卫星可展开磁强计机构设计与制作(3):http://www.youerw.com/jixie/lunwen_79333.html