纳米小卫星范文（精选3篇）
纳米小卫星 第1篇
现代小卫星概述
1. 现代小卫星的概念。
实际上小卫星在航天事业的早期就有了, 卫星发展最初就是从简单小卫星起步的。为了区别早期发射的小型卫星, 目前的小型卫星统称为现代小卫星。
2. 现代小卫星的特点。目前, 现代小型卫星技术的发展如火如荼。它具有许多大卫星所无法比拟的优点。
发射方式灵活, 能够机动发射, 生存能力强, 能适应未来的战术作战的需要;体积小, 重量轻, 既可以利用大型卫星发射火箭的剩余能力进行搭载发射, 也可以一箭多星发射或用廉价火箭发射, 从而大大节约发射费用;采用成熟、先进的技术, 运用科学的管理手段, 加之可以多种方式发射, 因此小卫星的研制和发射成本低, 系统投资少;结构简单、设计研制开发周期短、制造要求条件不高, 可以采用标准化星体和模块化设计, 从而可以批量生产和存储, 便于即时发射和补充。国外一些航天大国的现代小卫星, 从立项研制到发射, 一般仅需要一两年时间。技术性能高, 主要体现在卫星各分系统本身和有效载荷两方面。更为重要的是, 由小型卫星组成的星座, 使大型卫星也甘拜下风。许多小型卫星的编队飞行, 相对于一个大型卫星。每一颗卫星既能独立完成自己的任务, 还可以在太空中对其进行改装。
从上述种种优势不难看出, 小卫星走俏太空使航天技术发展的必然。上世纪80年代末期以来, 国际上出现了小卫星热潮, 而且有愈演愈烈之势。它代表了当今空间技术发展的一种新趋势, 受到了世界各国航天界的普遍重视。
3. 小卫星应用于通信。
小卫星一般在低轨道使用, 成本低, 特别适合稀路由, 非实时、低成本通信应用, 在众多通信手段中具有很强的竞争力。
小卫星在军事方面的应用前景非常广阔, 是占领空间制高点夺取战争胜利的重要手段, 主要应用在军事侦察和监视军事通信与导航、军事气象和海洋环境监测、空间攻防等方面。
农村邮电通信, 我国约有24万行政村, 目前仍有相当数量的行政村无法实现通电话, 甚至有些边远地区无法通邮。采用小卫星存储转发技术就可以解决几千万甚至上亿人的通信问题。
边防哨所的通信, 我国的边防线很长, 大部分处在人烟稀少甚至没有人迹的山区, 边防哨所与总部通信相当困难, 有时会因为突发事件, 造成大的损失。解决边防通信的最好办法是在边防哨所配备卫星终端设备, 采用小卫星存储转发通信可以解决这一问题。
大海、大江渔船的通信, 茫茫大海看不到边, 涛涛江水望不到头, 远洋船队或出海渔船, 需要时刻保持与陆地的联系, 否则船队出现问题, 不堪设想。所以在船上安装卫星通信终端, 可以保持与陆地通信联系, 甚至通过接收卫星遥感数据确定鱼群的位置, 来提高生产效率。
在勘探和探险中的通信, 勘探队和探险队如采用卫星存储转发通信, 可以及时将采集到的信息传送到总部, 并及时得到总部的指示。
各种应急通信系统, 对自然灾害, 如地震、水灾、森林大火等, 通过卫星存储转发通信系统可以立即架设通信终端, 建立通信网络, 及时与外界建立通信联系, 取得外来援助, 以减少损失。
提供个性化服务, 由于国家开放了数据业务经营权, 国内许多ISP公司的用户提供因特网及其增值业务。例如, 通过卫星可以对移动用户、勘探队、探险队和临时性用户提供电子邮件存储转发业务及其他个性服务。对一些特殊用户感兴趣的地区提供遥感图像和数据, 如对登山队及探险队提供特定地区地面积雪和水文情况等。
小卫星不但在民用通信、遥感气象、地球科学、空间科学、行星探测、技术验证等领域获得了广泛应用, 在商业和军事方面的应用更是成为各国致力发展和研究的重点。
4. 小卫星的发展。
20世纪80年代以来, 国际上微小卫星的发展十分迅速。目前世界上已有十多个国家涉足小卫星研制领域, 美国、俄罗斯、法国、英国和意大利都有自己的小卫星平台或星座。印度、韩国、瑞典、丹麦、巴西、西班牙和以色列等许多小国家也都以研制小卫星为切入点, 带动航天技术的发展。
近几年来风起云涌的移动双向个人通信市场, 推动着小卫星的飞速发展。利用由小卫星星座构成的通信卫星网实现个人持机双向移动通信, 不仅可以用于话音通信, 还可用于传送数据、传真、图像和寻呼信息以及定位等。另外它还具有手持机发射功率低、延迟小、没有死角等优点, 市场应用前景十分广阔。
我国已经成功发射的现代小卫星有“试验卫星一号”“纳星一号”、“创新一号”等, 将在光学成像观测和环境、资源、水文、地理勘察及气象观测、科学实验、交通运输、环境保护、防汛抗旱等数据信息传递中发挥重要作用。
“超小型卫星”的试验, 目前也正在进行之中。如果一切顺利的话, 三年后, 制造商将会制定可行的开发计划。随着政府机构、公司、大学、社区甚至富有的个人纷纷加入小卫星应用的行列, 未来小卫星必将拥有无限风光。
总之, 小卫星的发展与应用已引起世界航天界的广泛重视。小卫星以其成本低、质量轻、体积小、技术先进、研制周期短等特点, 将有更广泛的应用前景。
参考文献
[1]孙炜.小卫星及其应用;科学中国人;1996年02期
[2]林来兴.国外微小卫星在空间攻防中的应用研究;装备指挥技术学院学报;2006年06期
美军为突发战争准备研发纳米卫星 第2篇
纳米卫星军事应用引关注 一般意义上，我们将卫星按特定重量级别进行区分，一般重量在10公斤至100公斤的称为微型卫星，而重量比它还要小，只有1公斤到10公斤的小卫星，就称为“纳米卫星”。
纳米卫星的概念最早由美国宇航公司于1993年提出，卫星整体由分层的半导体芯片和微型仪器以及其他分系统组成，未来重量可以实现降低到0.1公斤以下，通过卫星组网可以实现空间大范围绘图和地面战场导引等诸多功能。可以说，纳米卫星是卫星设计思想上的一个巨大变革，成为各国广泛关注的新技术。未来信息化条件下局部战争在时间上的突发性、爆发地点的不确定性等战况，尤其需要各国根据需要应急发射小卫星。纳米卫星的这一军事应用价值也引起了各航天大国的高度关注。
各国竞相发展这一“新宠儿” 与其他类型的卫星相比，纳米卫星的优点就在于重量轻、体积小巧、便于设计研发、可以平台化集成、制造周期短并且成本低廉。而且还可以通过各种先进的卫星通信系统直接操作卫星，是各国竞相发展的航天界“新宠儿”。
为降低发射费用，纳米卫星常采用一箭多星的发射方式进行发射，目前已经发射的纳米卫星包括：俄罗斯的SPUTNIK-2卫星、美国的AUSat卫星和PICOSAT卫星，以及英国的SNAP-1卫星等。别看纳米卫星的分量小，它的功能可不少。QuakeSat卫星可以使用磁力计对高空的低频磁场等进行研究，用以对地震进行分析预测。日本东京大学的XI-IV纳米卫星就使用CMOS相机对地球和太阳影像进行拍照，英国萨瑞公司的SNAP-1型卫星可对其它卫星拍照，用以判断在轨航天器的完好状态和工作能力。nCube卫星可以接收船只的广播AIS信号，提供船只的方位、位置等信息，确保船舶航行安全。此外，纳米卫星组成的卫星网络在应急通信领域也具有巨大的潜在优势。
或对未来战争产生重大影响 目前，纳米卫星技术研究及相关组网技术是卫星技术研究的重点，相关技术可以在军事侦察、地质勘探、灾害预防和科学实验等领域发挥巨大应用，或将对未来的空天技术发展产生极其深远的影响。
纳米卫星或将对未来空天作战产生巨大影响。研究表明，只要在太阳同步轨道上等间隔地布置一定数量的纳米卫星，就可以在任意时刻对地球上的任何地点进行连续监视和干扰。由于纳米卫星具有良好的分散和集成组网特性，即使少数纳米卫星受到攻击而失灵，也不会使整个卫星作战网络瘫痪。同时，纳米卫星成本低、体积小，可批量生产、快速发射，在卫星组网领域具有较好的灵活性，成熟的平台化技术也可以大大扩展其应用范围。例如，在纳米卫星平台上集成低分辨率相机，对相同地区连续多次拍照，就可以集成为高分辨率图像。
除此以外，纳米卫星还可以应用于未来教学与空天科研实验，由于系统复杂度大大降低，研发费用较少，科研人员可以像组装电脑一样按照需要组装卫星，并可以实现卫星编队飞行、太阳风、地磁场等领域的空天实验。
小卫星通信系统射频前端设计 第3篇
在20世纪90年代小卫星概念提出以前, 应用卫星技术主要靠单颗卫星来发挥作用, 多种科研任务集中在一颗卫星上, 甚至有些任务是相互冲突的, 这不仅延长了研制周期, 也增大了系统的风险[1]。而利用小卫星编队组网运行, 可以实现单颗卫星难以实现的功能, 并且方便添加新的系统和技术, 从而使那些需要较长研制周期的仪器可随时添加到虚拟卫星中去[2], 另外小卫星具有单星测控能力, 使系统测控可靠性进一步加强。在技术上, 小卫星有功能模块集成化、功耗低、体积小和重量轻等优点。小卫星的这些优点吸引了各航天大国对其开展研究, 我国也投入了大量人力物力开展了卫星编队的研制。本文针对某项目的具体要求, 设计了适合小卫星通信系统的射频前端, 仿真分析了其关键电路, 并通过实物验证了方案设计的可行性, 实验结果表明设计合理, 实现了预期目标。
1 系统结构
超外差结构是射频前端应用中最多的一种结构, 其发射和接收方案都比较成熟。系统结构框图如图1所示。
在接收电路中将从天线接收来的微弱信号放大, 经过下变频得到中频信号, 为了放大器的稳定和避免自激, 在一个频带内的放大器其增益一般不超过[3]50～60 dB, 通过选择合适的中频频点和滤波器, 可以实现很好的选择性和灵敏度。发射电路中将中频信号上变频得到射频信号, 经过滤波和功率放大输出给天线发射出去。
系统中发射电路和接收电路均采用二次变频。飞行过程中小卫星与主星之间距离的变化会引起接收电路输入端信号的功率变化, 变化范围可达几十分贝[4], 在接收电路中设置自动增益控制电路, 使接收信号功率在一定范围内变化时输出信号功率变化很小。系统中重要组成部分有低噪放电路、锁相环电路、自动增益控制电路等。
系统中接收电路的主要指标如下:
(1) 接收信号为2.3 GHz, 功率为-120 dBm;输出信号为30 MHz, 功率大于等于0 dBm。
(2) 噪声系数小于等于2, 输出信号功率信噪比大于等于13 dB。
(3) 接收信号在-120～-90 dBm变化时, 输出信号变化小于6 dBm。
(4) 相位噪声小于-80 dBc/Hz/10 kHz。
2 系统组成部分
2.1 低噪放电路
低噪声放大器在接收电路中处于前端, 接收来自天线的微弱信号, 其性能的好坏直接影响着整机的性能, 尤其是接收灵敏度和整机噪声的好坏。低噪声放大器的主要指标有噪声系数、功率增益、动态范围、稳定性。
噪声系数定义为线性二端口网络中:
n级单元电路级联后的噪声系数为[5]:
式中:F1, F2, F3分别为前三级放大器的噪声系数;G1, G2, G3分别为前三级放大器的增益。
由式 (2) 可知放大器级联时噪声系数主要由第一级决定, 因此要求第一级放大器的噪声系数越小越好。为了抑制后级电路对系统噪声系数的影响, 第一级放大器需要有较高的增益。
该项目中采用的方案是三级低噪声放大器级联。第一级选用HMC618LP3, 在25 ℃环境中2.3 GHz处增益为15 dB, 噪声系数为1.05。第二级选用HMC548LP3, 在25 ℃环境中2.3 GHz处增益为25 dB, 噪声系数为1.5。第三级选用变增益放大器HMC287MS8, 在25 ℃环境中Vctl=0时, 2.3 GHz处增益为23 dB, Vctl=3 V时, 增益为-11 dB。将放大器的S2P文件导入ADS软件中仿真, 结果如图2所示。由图可知, 最高增益为52.196 dB, 最低增益为18.658 dB。三级放大器增益都很高, 如果各级间匹配不好, 很可能会导致放大器自激振荡, 要从源头解决这个问题, 只有修改各级的匹配网络, 这往往难度很大, 最有效的办法是在级间增加π型衰减网络[6]。π型衰减网络可以有效抑制信号在放大器级间的反射, nf (2) 是π型网络引入的噪声, 在实际电路中可以更换π型网络电阻调节衰减量和噪声系数。
2.2 锁相环电路
锁相环是由鉴相器 (PD) 、环路滤波器 (LPF) 及压控振荡器 (VCO) 所构成的反馈电路, 其结构如图3所示。
鉴相器比较参考信号u1 (t) 和压控振荡器输出信号u2 (t) 的相位, 并输出相位误差电压ud (t) , 经过环路滤波器滤除相位误差信号中的高频信号及部分噪声, 剩下直流电压uc (t) , 再将此直流电压送到压控振荡器来控制输出信号频率。当压控振荡器的输出信号频率与参考信号的频率不同时, 这个过程将持续进行, 在达到频率相等时, 且满足一定条件环路就稳定下来, 实现锁定。锁定之后被控的压控振荡器频率与输入信号频率相同, 两者之间维持一定的稳态相位差[7]。
锁定时间和相位噪声是锁相环的重要指标。最佳锁定时间需要45°～48°的相位裕度, 经验公式如下[8]:
式中:
可见环路带宽越大, 锁定时间越短, 频率跳变越小, 锁定时间越短。可以通过适当增大环路带宽和增大鉴相频率的方法缩短环路锁定时间。
锁相环电路的噪声来源于参考信号噪声、电荷泵噪声、反馈分频噪声和压控振荡器噪声四部分。环路滤波器对环路参数调整起着决定性作用, 关于环路滤波器的阶数, 最基本的环路滤波器是两阶, 如果想进一步降低参考杂散的幅度, 可以在二阶环路滤波器之后再加一个RC低通网络, 构成三阶无源环路滤波器[9]。该项目中选用的频率合成器是ADF4360-1, 用ADIsimPLL软件设计三阶无源滤波器, 并对输出信号进行仿真, 射频本振信号锁定时间和相位噪声如图4所示, 锁定时间为22 μs, 2.27 GHz处相位噪声为-88 dBc/Hz/10 kHz。
2.3 自动增益控制电路
自动增益控制电路主要由变增益放大器和检测控制电路两部分组成。传统的检测控制电路有两种实现方法, 一是采用模拟方法检测信号的峰值, 对峰值信号进行低通滤波、放大以后控制VGA的增益, 这种模拟检测、模拟控制的方法实现起来比较简单。二是采用数字方法检测信号的峰值, 对检测到的峰值进行一定的处理后产生数字控制量调整VGA的增益[10], 这种方法需要A/D转换器。限于小卫星上提供电压和功率很低, 空间很小, 所以采用第一种方法。
自动增益控制电路中一般将变增益放大器设置在中频段, 该项目中考虑到系统的功耗, 选用低功耗的变增益放大器HMC287MS8, 将变增益放大器设置在射频段, 结合检波器、运算放大器和滤波器实现自动增益控制, 原理图如图5所示。
检波器对检测信号的功率有下限要求, 输入信号功率超过下限时检波器输出电压才能变化, 因此信号检测点选择要合宜。该项目中选用的检波器是AD8361, AD8361对30 MHz信号检波, 实际测试输出电压随输入信号功率变化如表1所示。结合变增益放大器的增益变化曲线, 调整运算放大器的参考电压和运算方程可实现闭环系统增益的稳定控制。
3 实验验证
经过设计制成小卫星射频前端电路板如图6所示, 利用信号源86320B和频谱仪8563E进行测试, 系统接收信号2.3 GHz, 功率从-120 dBm起, 输出中频信号功率信噪比不低于15 dB。接收信号在30 dBm范围内变化时, 输出中频信号变化小于6 dBm, 如表2所示。经过计算得出相位噪声为-82 dBc/Hz/10 kHz。
4 结 语
本文对射频前端中几个重要组成部分进行了分析和仿真, 在此基础上设计了一种适合于编队飞行的小卫星通信系统射频前端结构。实验测试验证了该系统的合理性, 该系统的功耗低、接收灵敏度高、体积小、重量轻, 几项关键的预期指标已达到。回顾系统的设计和测试, 其中有些指标和措施仍需要改进, 如AGC的稳定范围不是很大, 需要结合发射卫星的数控衰减器调节才能实现输出信号完全稳定, 这需要综合更多的因素对系统整体方案进行更深地研究和改进。
参考文献
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