[0001] 本发明涉及卫星技术领域，具体是指一种适于批产的模块化多尺寸立方星姿控一体化系统。

[0002] 产业是经济之本，是生产力变革的具体表现形式。新质生产力的提出，为以科技创新推动产业创新、为产业升级构筑竞争优势指明了方向。

[0003] 近年来,随着卫星技术的快速发展,各国航天活动日益频繁。根据美国忧思科学家联盟（UCS）卫星数据库，截至2023年5月1日，全球共有 7560 颗在轨运营卫星。这些卫星不仅可以服务于普通大众，同时也是一种重要的战略资源。然而卫星频率、轨道资源极其有限，国际规则中主要分配形式为“先申报先使用”的抢占方式。受制于卫星设计制造周期长、成本高昂，往往设计一颗卫星需要投入大量的人力物力，且时间跨度较长。这就使得单纯由国家主导承担研制并发射卫星将难以完全填补庞大的市场需求。由此，商业卫星应运而生，各项商业航天规划的落地、航天发射成本的降低以及微纳卫星各项技术的成熟，引领卫星产业走向全面商业化。全球商业卫星行业发展步入快车道。

[0004] 商业化意味着产业规模化，设计模块化，接口统一化，生产批量化。因此，研究如何缩短设计开发周期，降低制造成本，实现卫星的批量化生产与快速发射显得尤为重要。传统卫星设计与制造成本高、开发周期长、体积质量重、功能固定不灵活、难以实现快速更新和维护。而标准立方体卫星则具备通用化、标准化的特点。在微电子技术和信息领域的发展加持下，国内外相继提出了众多立方星创新应用的概念。任何立方星的运行离不开机体姿态的测控。因此，设计出一种能够兼容多尺寸立方星的姿控一体化系统模块将对卫星的商业产业化发展具有实质的推动作用。

[0018] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

[0019] 结合图1和图2说明本实施方式，一种适于批产的模块化多尺寸立方星姿控一体化系统，该系统包括机械结构部分和印制电路部分。机械结构部分包括第一一体式安装结构1、第二一体式安装结构2、上安装板3。第一一体式安装结构1包括前安装板、左安装板、下安装板，三块板固定连接在一起。第二一体式安装结构2包括后安装板、右安装板，两块板固定连接在一起。第一一体式安装结构1、第二一体式安装结构2、上安装板3三者之间通过螺栓可拆卸连接，方便装配。印制电路部分包括姿态监测分系统，姿态控制分系统，数据处理分系统，数传通信分系统，电源分系统。

[0020] 立方星姿控一体化系统的接线方式分为电源连接与信号连接，电源连接为各分系统一体机提供电源供给；电源分系统通过直流12V/5V与姿态监测分系统、姿态控制分系统、数传通信分系统、数据处理分系统之间进行供电连接；信号连接为各分系统一体机提供通讯连接；数传通信分系统与姿态监测分系统、姿态控制分系统、数据处理分系统、电源分系统之间通过CAN总线进行通讯连接。

[0021] 立方星姿控一体化系统各分系统内部接线方式：姿态监测分系统中姿态监测一体机内部的第一微处理器与加速度计12、磁强计13、陀螺仪11、太阳敏感器10、全球定位器14之间通过信号线与电源线进行连接，信号间采用IIC协议进行通信；电源采用5V与3.3V进行供电。姿态控制分系统中的姿态控制一体机内部的第二微处理器与力执行机构之间通过信号线与电源线进行连接，信号间采用PWM信号进行控制，电源采用12V与5V与3.3V进行供电。数据处理分系统中数据处理一体机内部的第三微处理器与外围器件之间通过电源线进行连接，电源采用5V与3.3V进行供电。数传通信分系统中数传通信一体机内部通讯管理器与CAN收发器17之间通过信号线与电源线进行连接，信号间采用CAN信号进行通信，电源采用
5V与3.3V进行供电。电源分系统中电源管理一体机内部电源管理单元电路与DC‑DC降压单元电路与LDO降压单元电路之间通过电源线进行连接，电源采用24V与12V与5V进行供电。

[0022] 姿态监测分系统包括姿态监测一体机，姿态监测一体机核心器件由第一微处理器、加速度计12、磁强计13、陀螺仪11、太阳敏感器10，全球定位器14组合构成。上述所有元器件整合在姿态监测一体机结构中，姿态监测一体机结构安装在上侧板的内面上。姿态监测分系统主要实现对立方星机体姿态位置的实时检测，通过各传感器的三轴物理数据进行椭球拟合与互补滤波，最后经过卡尔曼滤波器输出解算出的三轴姿态角度是姿态控制分系统进行控制的重要参考数据来源。

[0023] 姿态控制分系统包括姿态控制一体机与力执行机构，姿态控制一体机核心器件由第二微处理器构成；力执行机构由三个飞轮、三个电机、三个电机单板、三个磁力矩器组合构成。飞轮4固定连接在飞轮支架上，电机单板安装在电机5内并通过信号线与电机5连接，电机5驱动飞轮4旋转。飞轮4为轴向飞轮，电机5与飞轮4连接组成飞轮一体机。磁力矩器为轴向磁力矩器。三个磁力矩器分别为X方向磁力矩器7、Y方向磁力矩器8、Z方向磁力矩器9。磁力矩器通过信号线连接姿态控制一体机。三个飞轮一体机通过飞轮支架6分别安装在前安装板、左安装板、下安装板的内侧面，三个磁力矩器分别安装在上安装板、后安装板、右安装板的内侧面。姿态控制分系统主要实现对立方星机体姿态角度的实时控制。

[0024] 数据处理分系统包括数据处理一体机15，数据处理一体机15内设第三微处理器，第三微处理器及其外围器件电路构成核心计算存储电路，主要实现对立方星姿控一体化系统的姿态数据解算与姿态控制指令下发，以及通过数传通信分系统对统一外部接口连接的星载计算机及外部调试计算机进行控制指令解析，其中对于控制指令还设有专用日志存储空间进行保存，用于故障诊断的跟踪调查。

[0025] 数传通信分系统包括数传通信一体机21，数传通信一体机21的核心器件由通讯管理器16、CAN收发器17组合构成。通讯管理器16和CAN收发器17安装在数传通信一体机21中，数传通信一体机21安装在后侧板的内侧面上。通讯管理器16通过信号线与CAN收发器17连接。数传通信分系统包括两条独立的CAN通信传输总线，CAN1总线为立方星姿控一体化系统内部各分系统一体机之间的数据通信传输通道，CAN2总线为姿控一体化系统与外部立方星系统各分系统之间的数据通信传输通道。另有一条USART串口通信传输接口用于外部计算机调试立方星姿控一体化系统使用。

[0026] 电源分系统包括电源管理一体机，电源管理一体机核心器件由DC‑DC降压单元电路与LDO降压单元电路及电源管理单元电路组合构成，主要实现对姿控一体化系统输入的电源电压进行合理降压处理，降低到系统内部各器件所需的适配的稳定工作电压，以及对各分系统进行独立电源供给。其中电源管理单元内置微处理器可通过CAN总线与数据处理分系统进行通讯。

[0027] 立方星姿控一体化系统的通讯接口统一是指系统接口共有3个，分别为与外部立方星其他分系统之间通讯连接的外部CAN接口，与姿控一体化系统内部其他分系统之间通讯连接的内部CAN接口，与外部调试计算机通讯连接的串口；其中外部CAN接口可以将立方星姿控一体化系统作为立方星总体系统中的独立通讯节点，在外部通讯总线中可单独并入或删除，更易于立方星系统的管理；其中内部CAN接口可以将立方星姿控一体化系统内部的各个分系统作为立方星姿控一体化系统中的独立通讯节点，在内部总线中可单独并入或删除，更易于立方星姿控一体化系统的管理，便于应对不同尺寸及功能立方星时对姿控一体化系统进行功能的增减而不影响系统通讯的正常运行；其中外部串口则将立方星姿控一体化系统调试通讯总线与系统运行通讯总线独立分开，互不干扰，更易于对立方星姿控一体化系统的管理。

[0028] 姿控一体化系统作为标准立方星的必要部件之一，主要为立方星提供实时的姿态数据获取与姿态动作调节控制。姿态一体化系统是独立于立方星的分系统，拥有自主决策立方星姿态动作的能力，例如星载计算机指令姿控一体化系统进行姿态保持时，姿控一体化系统可对当前姿态角度位置进行记忆，并通过内置算法实时矫正控制姿态偏差。姿控一体化系统机身长90mm，宽90mm，高90mm，结构采用轻量化设计，接口采用统一化设计，可兼容多尺寸立方星，不同立方星的兼容使用需要另计算其载体立方星的质心及必要的重量参数。姿控一体化系统中的各传感器可以单独控制，当进行适配的立方星不需要或是想添加新的传感器时，可以采用CAN接口进行单独通讯节点的并入和删除。

[0029] 结合图2至图3说明本实施方式，立方星姿控一体化系统实施例执行过程，姿控一体化系统外部共有3个接口，分别为电源接口，CAN接口,串行接口。电源接口由立方星提供24V工作电源电压，CAN接口用于与立方星其他分系统进行通信，串行接口用于与外部计算机进行调试通信。当立方星电源开启时，姿控一体化系统的电源分系统开始工作，将电源电压降压到各分系统的正常工作电压，系统启动进入分系统自检模式。当系统进入标准模式时，数传通信分系统接收到指令任务信息，数据处理分系统解析当前任务指令为需要立方星保持指定时间的指定三维姿态角度，此时通过姿态监测分系统对陀螺仪11，磁强计13，加速度计12，太阳敏感器10及全球定位器14进行数据采集，通过数据处理分系统对各姿态传感器数据进行计算拟合，拟合出的姿态角度作为姿态控制的动作依据，通过姿态控制分系统对三个轴向飞轮及三个轴向磁力矩器进行对应控制，通过控制算法使得立方星始终保持在指定的姿态角度，从而完成立方星载计算机下达的指令任务。过程中的指令日志将永久保存在本地的内存中，并根据指令信息以指定频率上传到外部立方星载计算机中。

[0030] 结合图示3说明本实施方式，立方星姿控一体化系统程序流程，立方星姿控一体化系统接通电源并开机后，数据处理分系统将对姿控一体化各分系统进行系统自检，检测各分系统硬件设备是否连接正确、是否存在故障，验证系统软件的完整性。若检测有误系统则进入异常模式，该模式下系统指示灯以一定周期频率进行闪烁，并获取所有分系统的状态信息，自检出有误的分系统，并将自检信息进行上报并存储到本地日志中。若检测无误，姿控一体化系统则进入模式选项，模式选项下若按下调试按键，则系统进入调试模式，调试模式下系统将通过串行通信接口USART获取外部调试计算机指令数据信息进行指令解析，执行相应指令任务，并将执行状态数据反馈调试计算机；若模式选项下未按下调试按键则系统进入标准模式，标准模式下姿控一体化系统将通过CAN通信接口获取来自外部立方星载计算机指令数据信息进行指令解析，执行相应指令任务，并将执行状态数据反馈星载计算机；指令任务分为两大板块，其一为姿态测控任务，姿态测控任务下，立方星姿控一体化系统将完成对立方星姿态数据的获取与机身姿态角度的调节控制；其二为系统测控任务，系统测控任务下，立方星姿控一体化系统将完成对各分系统状态的监测与控制；最后指令任务的执行操作日志将存储在本地内存中并按照指定回传帧率发送给各模式下的通信对象。

[0031] 结合图示4说明本实施方式，姿态控制分系统飞轮驱动控制电路，根据天体力学特征，立方星可通过姿控一体化系统中的姿态控制分系统控制执行机构飞轮来改变自身的转速和方向以产生力矩，从而影响立方星本体的姿态。姿态控制分系统会根据姿态监测分系统的传感器反馈的姿态物理量信息，计算出飞轮需要的控制角度，以实现所需的维持机体姿态角度或者改变机体姿态角度功能。姿态控制分系统有三个飞轮4，飞轮4为轴向飞轮，每个飞轮4驱动的控制电路采用三个可独立控制的半 H 桥驱动器驱动一个三相无刷直流电机，每个输出驱动器通道包含采用半H桥配置的N通道功率MOSFET，每个驱动器可在输出上执行电流感测。半H桥的每个通道提供最大为2.5A的峰值电流。数据处理分系统通过发送PWM信号对三个半H桥驱动器进行驱动，控制三相无刷电机动作；数据处理分系统通过ADC采集半H桥驱动器上的采样电阻电流；数据处理分系统通过定时器采集三相无刷电机上的霍尔传感器数据；形成闭环控制，调节输出三相无刷直流电机的旋转力矩，从而达到定量控制的目的，最终实现改变立方星机体姿态角度。

[0032] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。