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2 芯片卫星发展现状
芯片卫星概念自从一提出就广受关注，美国航空航天局、美国宇航公司、康奈尔大学、密歇根大学以及英国萨瑞航天中心、克莱德大学和剑桥大学等研究机构相继对芯片卫星工程设计技术、编队飞行理论和实际应用价值等开展了研究。从2005年开始，以美国康奈尔大学和英国萨瑞航天中心为代表的科研机构，开始由概念研究转入技术可行性研究和工程试验阶段，在芯片卫星工程设计方面进行了实践并取得了显著成果。
美国芯片卫星发展
美国芯片卫星研究处于世界领先地位，在理论概念、系统设计和加工工艺等领域均取得了技术突破，并率先完成全球首次芯片卫星空间暴露试验和在轨飞行试验。如美国航空航天局实现了将电脑的中央处理器(CPU)封装到单个芯片的工艺技术;密歇根大学对电动力绳系系统(EDT)在芯片卫星推进方面的应用进行了研究;康奈尔大学更是在世界范围内率先完成了芯片卫星的在轨环境试验和飞行试验。
(1)完成全球首次空间暴露试验
2011年5月16日，康奈尔大学利用奋进号航天飞机执行最后一次飞行任务的机会，将其研制的3颗名为“精灵”(Sprite)的芯片卫星样机送入太空。出于成本考虑，康奈尔大学选择了只有邮票大小的印刷电路板卫星作为芯片卫星的验证样机。虽然这3颗“精灵”卫星并未开展独立飞行任务，但在“国际空间站”外置空间暴露平台上进行了对地通信试验，并经受了真实空间环境的检验。
芯片卫星发展过程中的里程碑事件
用于暴露试验的3颗“精灵”卫星外形一样，尺寸均为38mm×38mm×1mm，质量约8g，各有7个微型太阳电池片，通信频率为902MHz，发射功率10mW。星地通信采用码分多址(CDMA)调制模式，以易于地面站捕获“精灵”卫星的微弱下传信号。受发射功率限制，“精灵”卫星发射的每比特数据分割为512位相移序列信号才能在地面完整接收到。512位相移序列信号的发射时间一般需要几毫秒。“精灵”卫星发射信号分割成相移序列的位数与其距地球的距离正相关，即“精灵”卫星离地球越远，其发射信号分割的相移序列位数越多。假设“精灵”卫星位于木星轨道，地球接收到“精灵”卫星信号的时间将需要近一整天。
“精灵”卫星空间暴露试验 左为“国际空间站”暴露试验平台；右为“精灵”卫星
装载了“精灵”卫星的凯克卫星-1：左为概念设计图；右为实物图
此次空间暴露试验取得了圆满成功，验证了“精灵”卫星样机在空间环境的生存能力和星地通信能力等预设任务。
(2)执行全球首次在轨飞行试验
2011年10月初，康奈尔大学启动了凯克卫星-1(KickSat-1)卫星项目，用于在轨释放芯片卫星，测试芯片卫星在轨通信能力、在轨时间以及星上电子器件在太空环境下的工作状态。凯克卫星-1是通过公众募资网站Kickstarter发起、由315位独立投资人集资研制的3U立方体卫星。该卫星采用美国航空航天局手机卫星-2.0(PhoneSat-2.0)立方体卫星平台，其中1U作为功能舱，采用商用现货(COTS)部件提供卫星电源、通信、指令和数据处理、姿控等功能，并以Nexus S智能手机作为卫星飞行控制计算机，2U作为母舱用于储运、释放芯片卫星。卫星设计轨道为325km×315km，倾角51.5°，质量5.5kg。
凯克卫星-1于2014年4月18日利用猎鹰-9(Falcon-9)火箭发射龙-3(Dragon-3)飞船的机会，以搭载发射的方式进入太空。为避免对“国际空间站”造成潜在威胁，凯克卫星-1计划在轨飞行16天后才会释放芯片卫星。
在项目执行过程中，受立方体卫星舱体空间限制，凯克卫星-1中搭载的芯片卫星数量大幅减少，从初始计划的200余颗降低至104颗。研究人员把本次执行在轨飞行任务的芯片卫星也命名为“精灵”，并且仍采用印刷电路板卫星作为芯片卫星验证样机以降低成本，但在卫星设计方面进行了升级。一方面，在卫星外形设计方面进一步小型化，新的“精灵”卫星尺寸约为32mm×32mm×4mm，质量约为5g;另一方面，在卫星任务设计方面增加了姿态测量功能，将电源、天线、敏感器和控制器等单元包括在单个集成电路上。此外，为提高太阳能转化效率，新的“精灵”卫星在正反两面都安置了斯派克实验室TASC型太阳电池片，可提供60mA、2.2V能量输出。
“精灵”卫星微控制器采用德州仪器公司的商业现货器件CC430型处理器，时钟频率为8MHz，随机存取存储器(RAM)容量为4kB，闪存容量为32kB。通信采用CC1101型特高频(UHF)无线电收发机，工作频率为437.24MHz，最大发射功率为10mW，最大数据率为500kbit/s。地面接收站接收到的“精灵”卫星信号强度约为1.2×10-16W。如果不考虑天线差异，这个信号强度是地面接收到的GPS信号强度的2.6倍以上。星上陀螺仪和磁强计都具有三轴测量能力。其中，陀螺仪为霍尼韦尔公司的HMC5883L型微机电系统陀螺仪，可用于测量卫星在轨姿态;磁强计为应美胜公司ITG-3200型微磁强计，可用于测量地球磁场分布。星上天线是V型半波振子天线，阻抗50Ω，不需要地面专用的匹配接收网络。
芯片卫星在轨释放概念图
“精灵”卫星在轨释放后，康奈尔大学地面站会接收到每颗卫星的遥测信号和传感器测量数据。同时，下传信号也向世界各地的其他业余无线电地面站开放，以供航天爱好者参与信号接收。执行飞行任务的“精灵”卫星在轨寿命预计不超过3周，随后将会再入地球大气层烧毁。
2014年4月30日，受空间辐射单粒子翻转事件影响，凯克卫星-1的电压降低至通信链路最低工作电压8V以下，无法接收地面上传控制指令，且“精灵”卫星释放装置定时器也发生重置，重新开始16天倒计时，导致原计划于5月3日进行的“精灵”卫星在轨释放任务无法如期开展。5月14日，凯克卫星-1再入大气层，宣告了本次芯片卫星在轨释放任务彻底失败。据最新报道，研制团队已启动凯克卫星-2方案论证工作，继续实施芯片卫星在轨飞行验证任务。
萨瑞航天中心对芯片卫星分系统技术成熟度的评价
欧洲芯片卫星发展
欧洲芯片卫星发展研究主要集中在英国萨瑞航天中心、克莱德大学和剑桥大学。其中，萨瑞航天中心处于欧洲领先地位，开展了芯片卫星技术可行性研究和系统方案设计，并在此基础上提出并研制了印刷电路板卫星;克莱德大学则主要研究了芯片卫星编队飞行理论;剑桥大学于2012年启动了“芯片卫星-火星大气层探测器”(ChipSat-MAX)项目，计划利用芯片卫星对火星大气层实现原位测量。此外，欧洲航天局在微机电系统工艺、片上系统等芯片卫星基础技术方面也有所建树，研制了薄膜太阳能电池片、片上太阳敏感器、片上星敏感器以及流片加工和微封装技术等。
(1)完成芯片卫星技术成熟度评级和方案设计
萨瑞航天中心在2005年启动了“ 空间芯片”(SpaceChip)卫星项目，按照传统大型卫星划分卫星分系统的方式，对包括机构与结构、有效载荷、电源分系统、数据处理分系统、通信分系统、姿轨控分系统、推进分系统和热控分系统在内的关键技术展开可行性研究。2008年，萨瑞航天中心公布了“空间芯片”卫星项目研究结果，对芯片卫星涉及的9项分系统关键技术给出了技术成熟度(TRL)评级。
此外，萨瑞航天中心依托当时的技术能力，利用锗化硅双极CMOS工艺完成了“空间芯片”卫星系统方案设计，包括射频通信、热控制、数据处理、太阳能电池和姿轨控等功能系统。根据该设计方案，卫星上集成有一个CMOS成像器件，并用一个集成显微镜头代替芯片外置的大镜头。卫星设计尺寸为20mm×20mm×3mm，质量约10g，太阳电池转换效率约为1%～3%，单星制造成本仅2400美元，发射成本300美元。萨瑞航天中心对芯片卫星技术的研究仅停留在方案设计层面，并未开展相关的工程研制和飞行试验。
(2)立足现有能力，提出研制印刷电路板卫星
英国萨瑞航天中心在完成芯片卫星技术可行性研究后认为，基于当时的技术能力研制芯片卫星难度较大。因此该中心提出了印刷电路板卫星概念，以印刷电路板卫星为低成本验证手段，首先在一块印刷电路板上集成航天器的全部功能，积累芯片卫星设计和研制经验，待技术突破后再开展芯片卫星研制。
萨瑞航天中心先后设计了多个印刷电路板卫星原型样机，并完成了振动、热真空、辐射等地面环境模拟试验和无线电通信、姿轨控等功能测试。与美国康奈尔大学将印刷电路板卫星完全用作芯片卫星验证样机不同，萨瑞航天中心发展印刷电路板卫星兼顾了积累芯片卫星研制经验和研发具有实用价值微小卫星的目的。因此，萨瑞航天中心研制的印刷电路板卫星尺寸相对较大，尺寸达到100mm×100mm×2.5mm，质量约350g。卫星采用640×480分辨率的CMOS成像器件，通信速率为9.6kbit/s。萨瑞航天中心先后设计了多个印刷电路板卫星原型样机，并完成了振动、热真空、辐射等地面环境模拟试验和无线电通信、姿轨控等功能测试，但没有进行在轨试验。
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发表于 2016-10-27 14:48:11
千斤顶
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