一種用于電離層探測的微納衛星的制作方法

本發明提供一種用于電離層探測的微納衛星，它涉及利用微納衛星對電離層和能夠結構進行探測的需求，屬于衛星結構設計領域。

背景技術：

電離層是日—地系統的重要組成，不僅保護了地球上的生物免受太陽紫外輻射和宇宙高能粒子的直接作用，而且對穿電離層傳播的無線電波產生反射、散射。吸收和折射等效應。電離層與日地系統的其他區域，包括太陽、行星際介質，磁層，熱層和中層之間存在著強烈的耦合相互作用。由于太陽活動引起的地球空間環境擾動和各種等離子體不穩定性過程，電離層中存在不同尺度的不規則結構并常處于擾動狀態之下，對短波通訊、衛星通訊和全球定位系統的導航定位精度等產生嚴重影響。積極監測與研究電離層中的各種現象，從而揭示現象背后的物理機制，探索電離層對人類生存環境的影響，是空間天氣研究的重要內容之一，對社會經濟的發展十分重要。

電離層探測是研究電離層的重要手段，其探測的理論依據是電離層等離子體影響穿過電離層的無線電波，從而產生各種現象，包括交叉調制、多普勒頻移、法拉第旋轉等現象。電離層探測的主要目的是獲取電離層的物理量，比如電離層電子密度、離子密度和溫度等，以此研究各個物理量的時空分布特征和變化規律。

傳統電離層探測手段包括測高儀、高頻多普勒接收機、信標閃爍接收機以及大功率散射雷達等，這些方法存在探測區域有限、設備龐大結構復雜以及維持運轉耗資甚巨等缺點。GPS的出現不僅對導航技術的發展產生了深遠的意義，還給電離層研究帶來了飛躍式發展。地基GPS電離層探測是在地面設置GPS接收機，接收GPS衛星傳播的載波信號，再從信號中提取與電離層有關的信息。現有的傳統和地基GPS電離層觀測受空間區域的限制，地面觀測站受地理環境的約束難以在海洋和沙漠上等區域布設臺站；衛星原位測量受制于衛星運行軌道的限制，不能觀測到完整的電離層區域，對此，無線電掩星技術提供全天、全球分布的電離層觀測資料，并且垂直分辨率高，能夠探測到軌道以下部分的電離層信息，具有其他探測手段所不具備的優勢。

GPS無線電掩星探測地球大氣技術最初是由斯坦福大學和JPL的科學家共同提出和發展的。1993年由UCAR(University Corporation for Atmosphere Research)、Arizona大學以及JPL聯合建立了GPS/MET實驗計劃，利用無線電掩星技術探測地球的中性大氣和電離層。GPS掩星以后的主要發展方向體現在SAC-C和CHAMP兩個計劃之上。SAC-C計劃是一顆阿根廷和美國聯合發射的載有磁力儀和多譜成像儀的衛星；CHAMP計劃是一顆德國發射的用于重力和磁力成像的衛星。這兩個較大的飛行器都首次攜帶了JPL設計的新一代掩星GPS信號接收計。SAC-C首次攜帶了前、后兩個沿飛行速度方向的天線，因此能夠觀測到上升和下降事件的掩星數據。它們還攜帶了向下方向的天線，用于恢復從海洋表面反射的GPS信號。在衛星發射后，所有的飛行器載軟件都可以從控制中心得到升級和重載。

以上所述的電離層探測方案都是采用了傳統的衛星進行探測，傳統衛星質量重、功耗大、成本高、結構復雜、工期長。相比于傳統衛星，維納衛星，尤其是CubeSat具有結構簡單、成本低廉、易于組裝成形、制造周期短的優點，可以利用多顆進行探測，發揮星座探測的優點。但是，對于大氣密度的探測中，CubaSat由于自身為立方體結構，不能保證在軌運行中受到均勻的空氣阻力。

綜上，為了充分發揮CubeSat的優點，同時又結合電離層任務探測的特點，本發明提出了一種用于電離層探測的微納衛星。

技術實現要素：

(一)發明目的：本發明的目的是提供一種用于電離層探測的微納衛星。該衛星由定制化部件外球殼、天線罩、天線和模塊化部件CubeSat組成，外球殼和天線罩構成衛星的外部結構，為衛星提供外部支持和保護；天線罩采用透波材料保證天線正常收發信號；天線采用平面四臂螺旋全向天線，能夠在任何姿態下收發信號；CubeSat位于整星中間，負責衛星整體的管理和運行。

(二)技術方案

本發明一種用于電離層探測的微納衛星，是由外球殼、天線罩、天線、模塊化部件即CubeSat組成；它們相互之間的關系是：外球殼和天線罩連接構成整星的球狀外殼；天線固定在外球殼上，由天線罩包絡在其外部；該CubeSat由外球殼上的支撐桿固定在整星內部的中心位置；

所述的外球殼由上球殼、下球殼、連接板、支撐桿四部分組成，它們的相互關系是：上球殼和下球殼共同組成整星的外部支持殼體結構，它們之間通過連接板連接；支撐桿由四個相同的桿結構組成，其中兩個桿固定于上球殼的內部，另外兩個桿固定于下球殼的內部，支撐桿的作用是固定該CubeSat；

該上球殼的形狀構造是：上球殼外部為多面體結構，每個面都為等腰梯形，內部為空心結構，留有支撐桿和天線的安裝孔位；

該下球殼的形狀構造與上球殼相同；

該連接板的形狀構造是：連接板共有四個，為長方體，有四個安裝孔位，用來固定上下球殼；

該支撐桿的形狀構造是：支撐桿為長方體桿狀結構，內部有空槽，用來固定CubeSat；

該外球殼各部件的材料都為硬鋁；

所述的天線罩為球殼構造，與外球殼共同組成球狀結構；該天線罩是由上天線罩和下天線罩兩部分組成；該上天線罩和下天線罩形狀構造完全相同，都固定于外球殼上，其中上天線罩與上球殼固連，下天線罩與下球殼固連；該天線罩的材料為聚四氟乙烯；

所述的天線由上天線和下天線兩部分組成，它們的相互關系是：上天線和下天線形狀構造完全相同，都固定在球殼內部，其中上天線與上球殼固連，下天線與下球殼固連；該天線的形狀構造是：天線為平面型四臂螺旋天線，整體為圓柱狀；

所述的CubeSat為模塊化部件，是整星的核心，它選用現有產品件，其形狀要求為長方體結構，內部空心且放置有星載計算機、電源分系統(如蓄電池等)、GPS接收機、信號轉換器等器件。

(三)優點

本發明的一種用于電離層探測的微納衛星的優點在于：

①本發明中提出了一種新的可用于電離層探測的微納衛星。

②本發明中提出的可用于電離層探測的微納衛星，由球狀外包絡結構和CubeSat核心部件組成，是模塊化和定制化部件的組合，便于生產加工。該衛星具有成本低、結構簡單、通用性強、生產周期短的優點。

③本發明中提出的可用于電離層探測的微納衛星，采用球狀結構，保證衛星受到均勻的空氣阻力，既能探測電離層，又能探測大氣空氣密度，實用性強。

④本發明中提出的可用于電離層探測的微納衛星，采用兩個全向天線對稱分布，保證衛星無論處于何種姿態都能夠收發信號，降低了對于姿態控制系統的要求。

附圖說明

圖1是本發明所述的微納衛星的整體結構圖。

圖2是本發明所述的微納衛星的內部安裝圖。

圖3是本發明所述的微納衛星的各部件相互關系圖。

圖中產品代號說明如下：

1.外球殼 1a.上球殼 1b.下球殼

1c.連接板 1d.支撐桿 2.天線罩

2a.上天線罩 2b.下天線罩 3.天線

3a.上天線 3b.下天線 4.CubeSat

具體實施方式

下面將結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。

參見圖1、圖2、圖3，本發明一種用于電離層探測的微納衛星，是由外球殼1、天線罩2、天線3、模塊化部件即CubeSat4組成；它們相互之間的關系是：外球殼1和天線罩2連接構成整星的球狀外殼；天線3固定在外球殼1上，由天線罩2包絡在其外部；該CubeSat4由外球殼1上的支撐桿1d固定在整星內部的中心位置。

所述的外球殼1由上球殼1a、下球殼1b、連接板1c、支撐桿1d四部分組成，它們的相互關系是：上球殼1a和下球殼1d共同組成整星的外部支持殼體結構，它們之間通過連接板1c連接；支撐桿1d由四個相同的桿結構組成，其中兩個桿固定于上球殼1a的內部，另外兩個桿固定于下球殼1b的內部，支撐桿1d的作用是固定CubeSat4。上球殼1a的形狀構造是：上球殼1a外部為多面體結構，每個面都為等腰梯形，可用來固定太陽電池片或貼片式星載敏感器；內部為空心結構，留有支撐桿1d和天線3的安裝孔位。下球殼1b的形狀構造與上球殼1a相同。連接板1c的形狀構造是：連接板共有四個，為長方體，有四個安裝孔位，用來固定上下球殼。支撐桿1d的形狀構造是：支撐桿為長方體桿狀結構，內部有空槽，用來固定CubeSat。外球殼1各部件的材料都為硬鋁。

所述的天線罩2為球殼構造，與外球殼共同組成球狀結構；該天線罩為球體的一部分，它是由上天線罩2a和下天線罩2b兩部分組成；該上天線罩2a和下天線罩2b形狀構造完全相同，都固定于外球殼1上，其中上天線罩2a與上球殼1a固連，下天線罩2b與下球殼2a固連；該天線罩2的材料為聚四氟乙烯。

所述的天線3由上天線3a和下天線3b兩部分組成，它們的相互關系是：上天線3a和下天線3b形狀構造完全相同，都固定在球殼內部，其中上天線3a與上球殼1a固連，下天線3b與下球殼1b固連。天線3的形狀構造是：天線為平面型四臂螺旋天線，整體為圓柱狀。

所述的CubeSat4為模塊化部件，是整星的核心，它選用現有產品件，其形狀要求為長方體結構，內部空心且放置有星載計算機、電源分系統(如蓄電池等)、GPS接收機、信號轉換器等器件。