小卫星控制系统电子一体化设计
小卫星控制系统电子一体化设计张怡、王勇、袁利、张笃周航天科技集团五院5 0 2 所摘要：介绍一种将控制系统星载计算机和各种接口电路线路盒等电子线路融为一体的设计思想，它充分体现了小卫星设计的平台化设计，做到了通用性强更好地适应了小卫星的质量轻、体积小、成本低、研制周期短等特点。对控制系统的组成、控制系统电子一体化总体设计思想、接口设计等内容做了重点讨论。主题词：电子一体化、小卫星、控制系统1 引言国内传统卫星控制系统的电子系统一般是由控制计算机、各种敏感器信号处理线路盒、各种执行机构信号驱动线路盒及二次电源分配器等多个独立的部件构成。小卫星控制系统一体化设计采用集成化设计方式，集成了控制计算机、应急处理线路、敏感器采集、执行机构驱动、供配电等电子线路，形成小卫星中心控制单元，大大降低了控制系统电子设备的重量、功耗。中心控制单元以控制计算机为核心，由敏感器L T U 和应急驱动L T U 两个下位机分别管理各种敏感器的信息处理电路和各执行机构的信息处理及驱动线路，优化了系统配置，降低系统开销，适应小卫星技术发展趋势，可以满足各种三轴稳定小卫星的控制需求。2 控制系统组成三轴稳定卫星控制系统一般由姿态敏感器、执行机构、星载计算机以及各种接口线路盒组成，它们和卫星本体一起构成闭环控制回路。姿态敏感器用于测量和确定卫星相对于空间某些已知基准目标的方位，一般包括红外地球敏感器、数字太阳敏感器、模拟太阳敏感器、陀螺、星敏感器、磁强计等。星载计算机则对测得的信息进一步处理后确定卫星姿态，并根据确定的姿态按满足设计要求的控制率给出指令，控制执行机构按控制指令产生所需的控制力矩，星载计算机还具有控制模式切换、故障自主诊断等管理功能和与卫星遥测遥控分系统的接口功能。执行机构按星载计算机的要求产生所需的控制力矩，实现卫星的姿态控制，执行机构一般包括喷气、动量轮、磁力矩器、帆扳驱动机构等部件。各接口线路盒是连接姿态敏感器一星载计算机、执行机构星载计算机的桥梁，兼顾控制系统二次电源的分配，并负责在星载计算机发生故障时能够进行应急处理，确保卫星的姿态稳定和能源保障。因此星载计算机及各接口电路是控制系统的核心。3 小卫星控制系统电子一体化设计小卫星控制系统电子一体化设计将星载控制计算机和姿态敏感器、执行机构的接1 2 1 电路集中成为中心控制单元，能够完成敏感器信号采集、执行机构驱动、供配电管理、卫星姿态、轨道及控制量计算，并且兼具与卫星遥测遥控分系统的接口实现卫星上下行通道数据处理功能。3 1 中心控制单元组成中心控制单元集成了控制分系统的主要电路，它以星载控制计算机为中心，以内部串口为纽带，建立了控制系统的信号网络。中心控制单元由控制计算机线路板、计算机容错线路板、红外预处理线路、敏感器L T U 、应急驱动L T U 、磁力矩器驱动线路、推进系统驱动线路、电源切换电路和D C D C 模块等组成。控制系统中心控制单元组成及信息流向如图1 所示图1 中心控制单元组成及信息流向示意图3 2 中心控制单元结构中心控制单元机箱采用标准机箱，接插件设置在机箱两侧。D C D C 模块直接放置在机箱底部，增加散热面积。3 3 各组成部分的功能3 ，3 1 电源模块D C D C 模块集成了电源变换器与滤波器，并且具有两路互为热备份输出的功能，为控制系统提供所需的几种二次电源。3 3 2 电源切换板完成控制系统各具有开关能力的姿态敏感器、执行机构、·星载计算机、各主备份线路的电源切换功能。3 3 3 推进系统驱动线路板具备可最多接收11 路控制信号驱动1 1 路推力组件的能力。3 3 4 磁力矩器驱动板根据控制计算机输出的信号，驱动磁力矩器线圈磁矩。3 3 5 敏感器L T U 板采用8 0 C 3 1 微处理器，双机冷备份设计；最大配置为可采集2 个数字太阳头部输出信号、采集2 个模拟太阳头部信号、采集2 个红外地球敏感器线路板的输出信号、采集陀螺线路盒4 路陀螺脉冲信号，将这些信号转换成数字量输出：具备大量的模拟量采集通路：能够输出 敏感器删当班状态信号：与星载计算机及应急驱动乙T U 通过串口进行通信，传递姿态敏感器及模拟量遥测信号。3 3 6 应急驱动L T U采用8 0 C 3 1 微处趔器，双机冷备份设计：最大配置为可控制I I 路推力器组件、4 路动量轮D A 控制信号输出、4 路动量轮脉冲计数、4 路动量轮方向信号采集、与B A P T A T 通过串口通讯控制帆板驱动装置、接收星载计算机的指令来控制部分具有切换功能的部件的电源切换：与星载计算机及敏感器u u 通过串口进行通信：接受星务遥控指令、计算机数据指令或自主进行应急安全控制；应急状态下通过串口从敏感器u U 获得敏感器信息；在应急条件下具备与星务分系统通信能力。3 3 7 红外线路处理板处理2 个红外地球敏感器头部的输出信号后送到敏感器u 1 J ；供给红外地球敏感器头部8 4 0电源。3 3 8 计算机线路板采用双机设计，功能相同，互为备份；与星敏感器通过串口通讯，提供磁力矩器的控制信号；提供监控串1 ：3 、分离开关、监控状态等测试手段。3 3 9 容错管理板根据计算机A 、B 状态决策当班机，由当班机输出控制结果。3 4 中心控制单元的技术特点3 4 1 平台化设计中心控制单元充分考虑到小卫星研制周期短等特点，设计中采用了平台化设计思想，适用于各种三轴稳定卫星。做到接口齐备，通用性、兼容性强，它的最大配置可做到采集敏感器信息包括两个红外地球敏感器、数字太阳敏感器、模拟太阳敏感器、四个陀螺、两个星敏感器，可做到控制执行机构输出包括控制四个动量轮、1 1 个推力器组件、三个磁力矩器、两个帆板驱动装置。在此基础上，控制系统根据任务要求还可作出适当修改，增加姿态敏感器和执行机构的配置。3 4 2 节省整星资源中心控制单元集成度高，因此大大降低了控制系统的重量及功耗，节省了宝贵的卫星资源，为卫星的小型化做出了重要贡献。4 结论现代小卫星作为航天器的一个重要种类，在未来将会有更迅速的发展和更广泛的应用。为使小卫星做到更快、更好、更省，中心控制单元的设计是一个有益的尝试，它实现了卫星控制系统的星上电子系统一体化。8 4
