1、西北工業大學教育實驗學院 梅嘉煒、王洋、王永威、王昭、魏恒來2U立方星設計報告概念設計組西北工業大學教育實驗學院隊員：梅嘉煒、王洋、王永威、王昭、魏恒來2012年12月9號目錄立方星設計方案31 引言32 姿態控制42.1 基于粒子濾波的定姿法52.1.1 三軸磁強計的設計52.1.2 三軸磁強計和太陽敏感器獲姿62.1.3 粒子濾波進行姿態估計值的計算72.2推進器的選擇92.3 姿態控制創新點113 通信模塊113.1收發天線113.2.接收機133.3高速調制解調器143.4 A/D轉換模塊153.5通信模塊創新點164 星載計算機及其相關線路設計174.1 雙CAN 冗余設計184.2

2、 上電檢測和電流檢測194.3硬件看門狗檢測204.4 星載計算機創新點205立方星電源設計模塊215.1產電模塊215.1.1材料選擇215.1.2太陽能電池板設計主要的幾個問題215.2儲電模塊225.2.1 電池組串并聯節數的選取235.2.2鋰離子蓄電池的溫控設計235.3 電源控制系統235.3.1硬件設計235.3.2軟件設計265.3.3電池組創新點286 參考文獻297 附錄30立方星設計方案1 引言2012年7月25日23時43分，我國在西昌衛星發射中心用長征三號丙運載火箭成功發射“天鏈一號03星”，衛星順利進入太空預定軌道。這次發射成功后，“天鏈一號”衛星將實現全球組網運行

3、，標志著我國第一代中繼衛星系統正式建成。專家稱，中國“天鏈一號03星”與01星、02星成功實現全球組網運行，建成比較完備的中繼衛星系統，將進一步提高中國載人航天飛行任務的測控覆蓋率，為中國神舟飛船以及未來空間實驗室、空間站建設提供數據中繼和測控服務。同時，還將為中國中、低軌道資源衛星提供數據中繼服務，為航天器發射提供測控支持。目前, 資源衛星、環境衛星等應用衛星獲得的科學數據, 要在衛星經過地面站上空時才能被下傳使用,然而如果突發重大自然災害, 就會失掉最佳的應對處置時機。天鏈一號可使各類中、低軌道衛星實現數據實時下傳并及時應用, 是各類中、低軌道應用衛星的效能倍增器。此外，如果航天器在軌運行

4、時出現故障, 搶救時機往往以秒來計算, 一旦錯過就可能造成無法挽回的重大損失。隨著中國人造地球衛星數量的增多, 衛星出現故障的概率會有所增加。天鏈一號投入應用后, 將能夠及早發現和盡快解決航天器故障。美國用“跟蹤與數據中繼衛星”取代了在全球設置的14個測控站, 對所有中、低軌道航天器的軌道覆蓋率由曾經的15% 提高到了85%, 處理信息的能力提高了6倍多。同時, 每年還節省維修和運行地球測控站費用達3億美元。可見，中繼衛星系統在航天領域里發揮著重要的作用，中繼衛星系統的發展擁有著廣闊的前景。然而，現在比較成熟的中繼衛星系統均為同步軌道衛星，價格昂貴，發射難度大。立方星屬于低軌道衛星，低軌道小衛

5、星中繼通信相比高軌衛星中繼通信的突出優點是軌道高度低，使得通信傳輸延時短，路徑損耗小，除此之外，由于小衛星具有區域覆蓋效果好，組網靈活，成本相對于高軌衛星低很多等優點，因此可以利用小衛星可以實現遠程通信支援作用，在短時間內信息保障系統尚未健全時或者實現中繼遠程通信功能的高軌衛星受損時，將小衛星作為中繼器有利于建立暢通的通信鏈路，有助于及時返回重要信息，是很有現實意義的方案，這不論在軍事或者民用方面都有非常重要意義1。因此，我們考慮利用微小衛星成本低、在低軌道運行的特點，提出運用微小衛星來構建下一代中繼衛星系統的想法。本次設計方案的提出，是想利用立方星來作為一次實驗，以檢測微小衛星構建中繼衛星系

6、統的可行性，并發現函待解決的問題，以實現最終構建下一代中繼衛星系統的計劃。2 姿態控制衛星的飛行軌道和姿態指向是決定衛星應用功能的兩項首要因素，是衛星總體工程設計的重要內容，直接影響著衛星應用有效載荷的設計和衛星應用性能指標的制定。衛星被發射投入運行后，衛星軌道和姿態控制是衛星運營，操作和管理的核心內容，直接影響衛星應用任務的實踐和衛星的在軌壽命2。下圖為衛星姿態控制系統原理圖（圖2.1）。 圖2.1衛星姿態控制系統原理圖由上圖不難得出，姿態估計量是由太陽敏感器和磁強計捕捉到的數據并加以處理后得到的，而后又將其傳給星載計算機，由星載計算機控制推進器向整星提供動力，反作用飛輪施力進行調姿。以下就

7、各重要部分及技術難點加以說明。2.1 基于粒子濾波的定姿法衛星的姿態可以用四元數來描述，而四元數的獲取則需要太陽敏感器和三軸磁強計來實現，而后通過這些數據可以得出姿態估計量。2.1.1 三軸磁強計的設計地球磁場的矢量信息是確定衛星位置的非常重要的信息，將它結合地球磁場模型可以確定衛星在地球磁場中的位置信息，為整星的姿態確定提供重要依據之一，三軸磁強計因體積小，重量輕，可靠性強，功耗低，工作溫度范圍寬，沒有活動部件，而且具有一定的精度水平，因而是理想的器件，設計的目的在于使得三軸磁強計在復雜的環境中穩定，可靠，使其壽命盡可能長。 皮衛星三軸磁強計利用四元件配置的惠斯頓電橋將磁場轉化為差分輸出電壓

8、，實現磁場信息和電壓之間的轉化之后再進行調理最終數字化并通過MCU處理，最終得到皮衛星在地球磁場中的位置信息，一般的三軸磁強計使用的是6.515V的工作電壓，而如果三軸磁強計的電壓均衡且盡可能小，那更能符合我們的設計要求，如下的三軸磁強計的系統設計可以使得各個模塊均工作在5V內（圖2.2），這樣的設計可以降低電源的壓力，減少了電壓的種類，有利于降低功耗。圖2.2 三軸磁強計的系統設計2.1.2 三軸磁強計和太陽敏感器獲姿本方案采用磁強計和太陽敏感器獲得姿態信息，衛星軌道坐標系下的磁場矢量以及太陽方向都可以通過該軌道信息以及星歷解算出來。設k時刻衛星軌道坐標系下的磁場強度和太陽參考矢量分別為B、

9、S，其中磁場參考矢量的計算可以參考國際地磁參考場IGRF(International Geomagentic Reference Field)。此時磁力計和太陽敏感器測量值為衛星本體坐標系下的值，記為、，兩個矢量互不平行。在軌道坐標系建立新的正交坐標系R，各坐標軸的單位矢量為：同樣，在衛星本體坐標系中建立正交坐標系Q中，各坐標系的單位矢量是：因此，下面的兩個33階矩陣 是R和Q坐標系分別在軌道坐標系和衛星本體坐標系的方向余弦陣，根據雙矢量定姿， 即為測量信號B、S、和得到的真實姿態轉移矩陣。本方案對姿態轉移矩陣進行處理，即通過姿態矩陣計算實時的姿態四元數q。2.1.3 粒子濾波進行姿態估計值的

10、計算為了完成飛行任務，通常需要確定衛星坐標系相對于某一參考坐標系或者某一特定目標的姿態。為了確定姿態，首先要有姿態測量，即用星上的姿態敏感器獲取含有姿態信息的物理量，然后對其進行數據處理以獲得姿態信息。目前常用來獲取姿態參數的方法主要有：參考矢量法、慣性測量法以及狀態估計法。其中，狀態估計法最為行之有效，包括卡爾曼濾波方法、擴展卡爾曼濾波(EKF)以及平淡卡爾曼濾波(UKF)等3。1)蒙特卡洛粒子濾波算法蒙特卡洛方法是一種基于概率統計中隨機抽樣來近似解決數學或工程問題的方法。實現過程一般是將需要求解的問題用某種隨機變量的形式進行描述，從該變量的概率密度分布中采樣并建立各種估計量，對估計量進行求

11、解的結果也即是所需要求解的問題的解。利用該算法，我們可以得到如下所示的粒子算法流程（如圖2.3）。圖2.3 粒子算法流程其原理圖如下：圖2.4 粒子算法原理圖2.2推進器的選擇傳統的推進器一般質量和體積都比較大，很明顯，傳統的推進器不能夠用在立方星上。由于立方星的獨特特點，它所需的推進系統要求電壓低，功耗低，體積和質量小，立方星本身所需推力和比沖均不大，最小推力脈沖在10-4-10-6N。S之間,我們考慮用微推進器實現，微推進器是基于MEMS的微推進系統，從目前的研究來看，主要分為電推進和化學推進，通過相關文獻我們得知，對于電推進推進器按原理可以分為三種，我們總結發現電熱式電推器進功耗相對較高

12、，靜電式電推器所需驅動電壓較高，電磁式電推器進雖然目前技術比較成熟，但是并沒有發揮MEMS的優勢，體積和質量偏大，對于體積很小的立方星來說并不合適，相比電推進，化學推進能夠比較適合用于立方星上，化學推進系統電功耗很低，能夠產生精確的小推力，而且它本身沒有可動部件，工作可靠性高，對于壽命較短的問題，我們可以通過提高推進器單元陣列數量和攜帶多片推進器陣列來解決4。我們采用固體微化學推進器，并且采用現在廣泛使用的硅材料和硅的微加工技術，采用該推進器很大的一個優點在于可以在同一個芯片上集成制作各種尺寸的貯箱，喉頸和裝填不同的推進劑，并且在1cm2的芯片上可以集成達106個微推力器，較高的集成度使得芯片

13、的成本大幅度降低，并且在采取一定的邏輯功能時可產生特定要求的脈沖。對于化學推進器裝藥的選擇，必須考慮到微推進器和立方星自身的特點，首先，裝藥量少，并應采用電點火的方式，因而裝藥必須容易在電熱的作用下直接被點燃，其次，藥腔較小，一般為亞毫米級，要求藥劑的點火臨界直徑盡可能小，以避免小直徑下藥劑難點燃的情況出現，通過查閱資料5，我們認為采用斯蒂芬酸鉛為主要藥劑比較合適，斯蒂芬酸鉛電熱感度較好，屬于弱起爆藥，燃燒的臨界直徑也較小，瞬時推力較大，很適合用在藥腔高度集成度，藥室直徑很小的地方，當斯蒂芬酸鉛裝藥量為0.32.8mg時推力約為0.050.38mN,總沖量約為3.2*10-53.0*10-4m

14、N.s,能夠基本滿足立方星的要求，一種固體微化學推進器如下圖（圖2.5）所示： 圖2.5 固體微化學推進器由上圖可以形象地說明芯片的面積和體積，對于我們立方星的設計非常有益，因為該推進器體積很小，我們可以增加推進器陣列的方式實現我們所需要的推力或者比沖等參數，而且體積增加對立方星的影響并不大，比較好的滿足了我們對于推進系統動力的要求。2.3 姿態控制創新點一般的三軸磁強計使用的是6.515V的工作電壓，而我們設計的三軸磁強計的內部系統設計使得三軸磁強計的各模塊均工作在5V以內，有效地降低了電壓的種類，降低了功率，能很好的滿足設計要求。 3 通信模塊 立方星的通信模塊是由一臺低功率發射機、2臺接

15、收機、調制解調器、A/D轉換器和收發兩用天線組成，工作流程如圖3.1所示。傳統帶狀天線在中轉信號時不具有方向性，因此會造成大量的能量浪費。對于體積較小的立方星而言，很難提供如此大的能量，為此，我們考慮了雙軸定位收發兩用拋物面天線，用發射拋物面定向發射電磁信號同時可實現接收方向和發射方向的精確控制，如圖3.2。3.1收發天線從圖中可以看到，我們采用了兩個拋物面形狀的衛星接收和發射兩用天線。其中左下方的天線通過定位調節指向地面工作站，用于接收地面的控制信號同時該天線可以向地面發射中繼信號。另外一個拋物面天線和地面控制收發天線同軸通過立方星，用以接受高空衛星發射的信號。兩同軸天線的最佳接收定位角度均

16、是獨立利用雙軸定位來進行調節。圖3.1通信模塊流程圖地面控制收發天線高空接收天線 圖3.2收發天線示意圖3.2.接收機考慮到通訊系統中傳輸距離的差異以及抗干擾能力，我們選擇了兩個接收機分別用以接收分別用于地面的控制信號及深空頻段的跟蹤和數據中繼傳輸信號。對于接收從地面傳來的信號時，需要考慮從地面的邊緣、極光、臨近衛星等自然或人為的電磁干擾。因此選用Ka波段作為接收機1的工作頻段。對于接收機2需接收高空遠距離的信號，干擾信號主要來自太空深處的星星等背景，較前者而言干擾較小。但是此傳輸波段應具有遠距離、低衰減的特點，我們考慮選用Ku波段和S波段工作。對于上述兩種接收機分別需要集裝自適應信號處理器用

17、以降低干擾，分離目標。 3.3高速調制解調器 高速調制解調器采用16QAM調制器。16AM的調制實現可分為正交調幅法和4PSK重疊調制法。下面介紹這兩種調制方法：1） 正交調幅法實現16QAM調制方案 圖3.3 正交調幅實現16QAM調制器原理框圖2） QPSK重疊調制法實現16QAM調制方案QPSK重疊調制法的核心思想是用兩個已調QPSK信號合成一個16QAM信號。在合成16QAM已調信號都是等幅波，采用飽和功率放大器分別經過放大兩路QPSK信號，然后在功率信號上疊加出16QAM信號。這樣可以提高功率的效率，充分利用衛星的能源。原理圖見圖3.4。圖3.4QPSK重疊調制法實現16QAM調制的

18、方框圖基于1）、2）兩種方案的1Gbps 16QAM高速調制解調器的可以實現立方星與高軌道的海量數據傳送。 3.4 A/D轉換模塊 我們如果采用一種32位精度結構轉換器，該A/D轉換器可以使得無失碼精度達到31位，并且該A/D轉換器較高的信噪比。下面是其一種可行結構示意圖如圖3.5。 圖3.5 一種四通道并行流水線A/D轉換器 3.5通信模塊創新點通信系統模塊采用了雙軸定位收發兩用拋物面天線（圖4.2并未畫出雙軸結構是因為雙軸結構不容易畫出。但是這種旨在于在四維平面調節定位角度的雙軸結構并不難想象出），一改傳統小衛星帶狀天線帶來的能量浪費，符合納衛星低功耗的要求。同時利用16QAM高速調制解調

19、器使得大量通信數據的同時傳輸成為可能。最后我們采用一種四通道并行流水線A/D轉換電路實現2號接收機對接收到的地面信號的高效模數轉換，在一定程度上會縮短地面指令與星載計算機執行指令的時間差，從而提高控制效率。由于16QAM高速調制解調、接收機、發射機和A/D轉化電路均集中于PCB板上，因此通訊模塊質量并為因為功能的提高而增加太多即保持在50g以內。另外收發天線口徑預定為1.3m，我們可以通過采用輕型材料和先進的加工工藝使得其質量保持在150g左右。由于采用了低功耗的設計，整個模塊的功率將主要集中于高空信號的高速大流量的數據接收和傳輸上。但是對于實驗用的中繼通信立方星，只能在一個較小的覆蓋面積內收

20、發數據。因此，我們可以通過采用高性能太陽能電池板解決供電的問題。 4 星載計算機及其相關線路設計星載計算機系統是由星務計算機、姿態控制計算機、電源熱控計算機、系統串行總線、A/ D 模塊、D/A 模塊、存儲單元、看門狗等部分組成:1.星務計算機采用一種自主切換式雙模冷備份容錯策略。這種容錯策略8的備份機一直處在掉電狀態。一旦主機發生災難, 故障監測模塊把主機的健康狀態匯報給自主切換模塊, 自主切換模塊經邏輯判斷認為需要切換,將發送切換指令, 備份機將自主啟動進入工作狀態。同時，系統也配有地面遙測指令接口, 可以進行人工干預。雙機切換可以由地面站指令控制或由硬件看門狗和切換邏輯電路實現。星務計算

21、機實施對微小衛星自主運行管理, 遙控、遙測及系統工程參數采集, 命令分析, 發送直接與間接命令等;2.姿態控制計算機主要負責小衛星的姿態控制, 為小衛星提供必要的俯仰角和滾動角, 使小衛星符合一定的姿態穩定度。實現對小衛星姿態的實時控制計算量比較大, 要求實時性較好, 所以采用雙機熱備份的冗余方式以滿足小衛星對實時性和可靠性的要求;3.電源熱控計算機負責對衛星系統資源的合理調度和管理、系統故障隔離以及系統重構, 電源熱控計算機采用雙機冷備份冗余方式;4.系統總線( BUS ) : 各下位機通過系統總線與星務計算機組成一個小型局域網, 借助該局域網交換數據信息,系統總線采用CAN 總線雙總線結構

22、, 互為備份。星載計算機系統結構框圖如圖4.1 所示9。圖 4.1 星載計算機系統結構框圖4.1 雙CAN 冗余設計星上綜合電子各個系統之間采用雙C A N 冗余的形式實現通信, 通常情況下使用C A N A 總線, 當C A N A 出現故障時切換到C A N B 總線。C A N 總線發送的報文和接受的報文分別采用C R C 編碼和C R C 校驗, 監測系統總線的健康狀況, 通過接受錯誤計數器和發送錯誤計數器記錄故障信息 , 當故障幀達到設定的允許值時, 切換到另一條總線上繼續通信, 而當故障幀沒有達到設定的允許值, 但接受超時, 也執行切換。切換流程如圖4.2所示。圖 4.2 切換流程

23、4.2 上電檢測和電流檢測故障監測單元首先檢測雙模冗余計算機中哪個微處理器上電。由于自主切換式雙模冷備份容錯策略中只有工作機上電, 備份機一直不上電, 所以通過檢測微處理器的上電情況, 可以判斷哪個是工作機哪個是備份機。只有上電的計算機, 故障檢測單元才會對其進行電流檢測。電流檢測功能框圖如圖所示, MAX471是一種高精的電流傳感器, 精度為2%,檢測能力為3A ,電壓范圍為3一36 V。在工業中常用于電流檢測與電路保護。圖 4.3 故障檢測圖4.3硬件看門狗檢測為了避免因瞬時干擾造成系統死鎖, 采用硬件看門狗對系統進行監控。每個微處理器都提供了一個硬件看門狗, 在處理器上電后定時喂狗。星載

24、計算機系統上電后, 主機加電/備機斷電開始工作(進入狀態l)；主機工作中出現第一次狗咬則進行復位, 同時系統公共單元對狗咬信號進行計數, 當檢測到復位后第二次發生狗咬時, 產生備機加電/ 主機斷電(進入狀態2 )；同樣, 備機工作中出現狗咬則進行復位, 同時系統公共單元對狗咬信號進行計數, 當檢測到復位后第二次發生狗咬時，產生主機加電/備機斷電(返回狀態1 )；星載計算機看門狗監測時主備狀態遷移如圖4.4所示。圖 4.4 看門狗設計4.4 星載計算機創新點目前星載計算機容錯策略的工作形式主要有三種：冷備份、熱備份、溫備份。而我們采用的這種自主切換式雙模冷備份容錯策略，具有熱備份和溫備份的自主性

25、,卻不需要冷備份模式下的地面指令。同時，系統也配有地面遙測指令接口, 可以進行人工干預。并且系統功耗也只有溫備份和熱備份模式的一半。在可靠性方面，由于備份機一直處在不上電狀態, 一般不會受到損壞, 所以失效率很低。5立方星電源設計模塊電源設計是衛星至關重要的一部分，本著創新，可靠性高，效率高等原則進行相關設計。電源設計分為三個模塊：硬件包括產電裝置，儲電裝置軟件包括電源控制系統。5.1產電模塊采用六面體體裝方式的太陽能電池板。5.1.1材料選擇在宇宙空間環境中，環境條件非常惡劣，溫度起伏大，且存在著大量的高能粒子。它們會破壞太陽電池的晶格結構，使晶格缺陷增多，造成電池性能下降。對于在這種條件下

26、工作的太陽電池，必須具備性能穩定和耐輻照等基本特性。同時良好的光電轉換效率是空間太陽電池又一重要特征。通過對近期相關太陽能電池板的研究，可以知道GaAs等III V族電池具有很高的光電轉換效率，且抗輻照特性也較好，恰好滿足空間應用的需求。因此我們最終選用國內目前效率最高三結砷化鎵（GaAs）。5.1.2太陽能電池板設計主要的幾個問題1）工作溫度任何電源設計都要考慮所需功率的量級。電池板的工作溫度是關鍵問題，因為太陽電池片的性能與溫度有關。工作溫度每上升1(以28標準工作溫度為基準)，硅太陽電池的效率下降約0.5。任何太陽電池的溫度系數都與下列因素有關：電池的類型及其輸出功率特性、實際工作溫度、

27、軌道高度等。GaAs和InP雖然溫度系數較小，但較高的工作溫度仍意味著性能下降。在太陽能電池板下埋下溫度傳感器，間歇性地獨立測量太陽能電池板的溫度，通過電源控制系統的溫度調節模塊，將太陽能電池板維持在合理的溫度范圍，從而達到效率最高。2）太陽電池陣并聯效率太陽電池陣的輸出電壓并不穩定。由于采用的太陽電池之間并沒有分路二極管，若輸出直接并聯，則非正照面的太陽陣會受到反向偏壓，引起不必要的功率耗散甚至損壞太陽電池。因此，每個面的太陽電池陣的輸出必須帶有反向保護。反向保護單元可供選擇的方案有：二極管、LDO以及DCDC。由于二極管導壓降（0.3V0.4V）的緣故，會有約400mw的能量損失，對立方星

28、而言，是一筆不小的功率消耗。所以摒棄二極管做保護電路的方法。低壓差線性穩壓器(LowDropout，LDO)是一種低導通壓降的線性穩壓器件，其導通壓降要小于二極管。由于它的輸入電流基本等于輸出電流，因此它常用于輸入和輸出電壓差距不大的情況，否則多余的電壓將會消耗在器件上，會降低效率。直流直流變換器(DCDC)是一種電壓變換器，它能將輸入端的整個功率都傳遞到輸出端，它的特性是有固定的損耗，大約要損失能量的10-20。因此它常用于輸入輸出電壓差距較大的場合。分析后知道立方星，使用DCDC從能量角度來講并不劃算，而且DCDC有大量的外圍電路，其占用面積也要大于LDO，因此經比較選擇了LDO作為反向保

29、護器件，其在整星工作時最大只有0.13V的壓降，這一方案將損耗降到了最小。每一路LDO的輸出并聯接在一起，提供母線電壓。5.2儲電模塊蓄電池是能夠貯能的裝置，貯藏在光照器件太陽電池產生的多余功率，在太陽電池不能工作或不能提供足夠的功率時作為備用電源釋放能量。要保證衛星長期、穩定、可靠地工作，就必須要配置一個壽命長，安全性好，可靠性高的蓄電池組。衛星上的蓄電池有獨特的要求。首先在高真空環境下保證密封不泄漏。而且在每個軌道周期都要對蓄電池進行充放電，電能和化學能的轉換效率要高。星上在穩定負載工作外，經常有峰值負載及脈沖負載，蓄電池要能夠支持高功率輸出。另外，蓄電池的充放電過程要安全、可靠、壽命長。

30、鋰離子電池的最大優勢在于它能夠大容量地貯存能量，比同類的鎳鎘電池，鎳氫電池都高得多。而且工作電壓高，一般在3.6V以上，充放電的壽命長，無記憶效應。與其它電池不同的地方在于，鋰離子電池的工作電壓隨時間緩慢下降，比較容易顯示剩余電量。鋰離子電池也成為航天儲蓄能源的發展趨勢。基于以上背景，立衛星選用了鋰離子蓄電池作為二次電源，完成星上的儲能和供電工作。5.2.1 電池組串并聯節數的選取根據整星對母線電壓的需求計算電池單體串聯節數，如整星需要母線為12一16.4V，電池組的串聯節數為：16.4 V3.6 V-4(節)。并聯單體電池可以使電池容量增加但是電池組電壓保持不變，如果既受求容量大又要求母線高

31、的情況，可以通過將單體電池串并結合的方式來實現。5.2.2鋰離子蓄電池的溫控設計鋰離子蓄電池組的結構設計按照機電熱一體化要求，并考慮列熱效應問題電池組采用一體化設計并且安裝面上需要涂覆導熱硅酯層使電池組工作時產生的熱量可以通過底板傳導出去。同時，為了保證電池在合適的溫度范圍內工作。在電源箱底板鋪設導熱管。使電池在星上的工作環境溫度力求保證在030的范圍內。微小衛星一般沒有熱控系統只能通過熱傳導的方式來實現熱控。可以考慮在蓄電池溫度偏高時通過結構將熱量導到衛星其他結構上；蓄電池組溫度偏低時將衛星上其他部件發熱的熱量導到蓄電池結構上：，使其溫度不至于過低。5.3 電源控制系統5.3.1硬件設計立方

32、星智能電源系統基于“太陽能電池陣電源控制系統蓄電池組”拓撲結構進行設計。電源控制系統作為整個電源系統的核心部分，主要由以下幾個部分構成：微控制單元、一次母線電壓調節單元(即峰值功率跟蹤單元)、二次母線電壓調節單元(即放電調節單元)、充電調節單元、電壓電流信號采集單元、信號處理單元、串行通信單元等。電源控制系統整體結構如圖5.1所示。 電源控制系統的基本工作流程為：根據預先設定的空間環境參數，由太陽電池陣模擬器形成電源系統的初始輸入；初始輸人經過一次母線電壓調節單元的調節形成與蓄電池組工作電壓相匹配的一次母線電壓7.2V8.4V。同時完成對輸入峰值功率的跟蹤與鎖定；供給二次母線的功率經過二次母線

33、調節器的調節，分別為星上負載提供5V與3.3V兩種二次母線電壓；電壓電流信號采集單元不斷采集初始輸入、一次母線、蓄電池組、二次母線等各關鍵節點的電壓電流信號。經由電壓跟隨器、一階濾波電路與多路信號選通芯片送入微控制單元進行A/D轉換；微控制器根據各關鍵節點信號，經過進一步的處理與分析，向各級母線調節單元及充電控制單元發出控制信號，同時通過串行通信單元向上位機傳送數據。圖5.1電源控制系統總體結構圖1）一次母線電壓調節單元(峰值功率跟蹤單元)一次母線電壓調節單元電路以Boost DCDC電壓變換電路為核心，同時增加了以兩個MOSFET組合而成的一次母線控制開關，如圖5.2所示。Boost電壓變換

34、電路由MOSFET開關管Ql，續流二極管D3、D4，儲能電感L2與濾波電容C13組成。升壓變換比滿足M=Vout/Vin=1/(1-D) (1)由于一次母線輸出電壓v。被鉗位在蓄電池組工作電壓，即7.2V8.4V區間某特定值。則調整微處理單元發出的PWM控制信號占空比D，可調整輸入電壓(即太陽電池板輸出電壓)Vi。在此基礎上，調用峰值功率跟蹤(MPPT)算法，實現太陽電池板輸出功率最大化。圖 5.2 Boost電壓變換電路2） 電流電壓信號采集單元信號采集單元以MAX 4373F電流傳感放大器與分壓精密電阻為核心，采集初始輸入、一次母線、蓄電池組53.3V二次母線等6處節點的電壓電流信號。信號

35、送人集成運放LM234進行電壓跟隨，再經過一階R-C濾波電路濾去紋波，最終送入MAX 397等待AD轉換。3） 充電調節器單元蓄電池組充電調節器由nMOSFET與pMOSFET組合電子開關構成具體結構同圖2右側的電子開關。充電過程中MOSFET驅動器輸出高電平信號則nMOSFET IRF3205導通，使pMOSFET IRF4905的G極電壓近似為O，此時IRF4905的S極與G極間電壓為正，使IRF4905導通。當蓄電池組達到滿充電壓時，微處理單元控制電子開關關斷。4） 二次母線電壓調節單元(放電調節單元)由于輸出電壓為特定值。二次母線電壓調節單元中采用了MAX 649(5V輸出)、MAX

36、65l(3.3V輸出)的Buck型DC，DC降壓變換控制芯片。MAX 649、MAX 651芯片將4.0V16.5V范圍內的任意的一次母線電壓分別轉換為3.3V與5V，供給星上各分的任意的一次母線電壓分別轉換為3.3V與5V，系統的能量需求。當輸出電流處于10mA1.5A范圍內，芯片功率轉換效率可達到90以上。放電調節器同樣由受微控制單元驅動的nMOSFET與pMOSFET組合電子開關構成。5.3.2軟件設計1）立方星電源系統控制軟件基本流程電源系統控制軟件流程主要以“信號巡回檢測PWM控制信號調整一系統運行參數傳輸一再次信號巡回檢測”過程為主干，并在“巡檢一控制一數據傳輸”過程中增加充電控制、放電控制等分支控制功能。控制軟件采用模塊化思想設計。由系統初始化模塊，多路AD轉換模塊、數字濾波模塊、數據分析與控制模塊、串口通信模塊等組成。2） 基于模糊控制邏輯的電導增量MPPT算法立方星智能電源系統主要依靠軟件中的MPPT算法實現其功率的最大化。MPPT算法原理在于：在一定的溫度與光強條件下，衛星電源使用的太陽電池陣的輸出電壓與電流存在著非線性的關系，如圖5.3所示。當輸出電壓到達特定值Vmp，與對應電流值