本發(fā)明提供了一種桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，屬于衛(wèi)星模擬飛行或監(jiān)控系統(tǒng)研究領域。

背景技術：

目前國內高等院校的航天類專業(yè)課程大多圍繞人造衛(wèi)星展開，但由于難以接觸到真實的人造衛(wèi)星，缺乏培養(yǎng)學生動手實踐能力的途徑。國內外現有的航天工程實踐教育方式主要分為三種：與官方航天機構合作，參與官方項目、自行研發(fā)立方星（CubSat）搭載運載火箭入軌或者用探空火箭發(fā)射衛(wèi)星替代品，例如美國“大學空間系統(tǒng)研討會”（USSS）開發(fā)的易拉罐衛(wèi)星（CanSat）項目。

依托官方航天機構的航天項目開展航天工程教育有著針對性強，學生鍛煉效果好等優(yōu)點，但由于機會有限且受到各種軟硬件因素限制，無法在各個高校中推廣普及。立方星的體積以“U”為單位進行劃分，“1U”即指一個體積僅為100×100×100mm³的標準單元。由于體積小重量輕，研制門檻大幅降低，依托高校的實驗室硬件條件即可自研立方星，國內已有多家設有航天類專業(yè)的高校開展了立方星項目。考慮到立方星的內部設備必須符合航天標準，研發(fā)與集成的成本依然十分昂貴，使得立方星項目無法大量連續(xù)地開展實施。運用探空火箭發(fā)射易拉罐衛(wèi)星進行航天工程教育已在美國開展多年，但考慮到探空火箭的成本與安全風險，國內高校并不適宜開展。

技術實現要素：

針對上述不足本發(fā)明提供了一種桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)。

本發(fā)明采用如下技術方案：

本發(fā)明所述的一種桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，包括龍門掛架，衛(wèi)星機械本體，所述的衛(wèi)星機械本體吊掛在龍門掛架上；衛(wèi)星機械本體由框架結構構成，框架結構內設有電源管理模塊，數據處理模塊，熱控制模塊，姿態(tài)控制模塊、無線通信模塊；通過數據處理模塊用于數據處理與指令發(fā)布；通過熱控制模塊采集衛(wèi)星機械本體內的溫度數據，使衛(wèi)星機械本體內部的溫度能夠維持在設定的水平；通過姿態(tài)控制模塊控制衛(wèi)星機械本體轉向；通過無線通信模塊與外部連接進行數據交換；通過電源管理模塊給數據處理模塊，熱控制模塊，姿態(tài)控制模塊、無線通信模塊供電。

本發(fā)明所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的衛(wèi)星機械本體包括框架立柱，框架橫梁；所述的框架立柱與框架橫梁組成立方體框架結構，立方體框架結構的底端設有底板，頂端設有頂板，方體框架結構的側壁設有薄膜太陽能電池板；其余三個側壁分別設有側壁板。

本發(fā)明所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的頂板內側設有反作用飛輪，反作用飛輪上設有電機，頂板的外側設有掛繩座；掛繩座上通過掛繩吊掛在框架橫梁上。

本發(fā)明所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的衛(wèi)星機械本體內的電源管理模塊包括薄膜太陽能電池板，電壓控制芯片，調控太陽電池模塊塊，鋰電池組成；所述的薄膜太陽能電池板與鋰電池相連，電壓控制芯片與調控太陽電池膜塊相連；調控太陽電池模塊與數據處理模塊，熱控制模塊，姿態(tài)控制模塊、無線通信模塊相連供給電能。

本發(fā)明呢所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的熱控制模塊包括溫度傳感器，電熱片，所述的溫度傳感器負責測量系統(tǒng)的內部溫度并上傳溫度數據，由數據處理模塊根據預先設定的閾值發(fā)布指令控制電熱片加熱，使系統(tǒng)內部的溫度能夠維持在設定的水平。

本發(fā)明所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的姿態(tài)控制模塊包括電子羅盤、太陽能敏感器、磁矩棒、反作用飛輪，所述的反作用飛輪安裝在電機上，電機由電機控制板控制；電子羅盤、太陽能敏感器監(jiān)測位置數據與姿態(tài)數據，電機控制板通過得到的位置數據與姿態(tài)數控制衛(wèi)星機械本體轉向特定方向。

本發(fā)明所述的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)，所述的無線通信模塊包括ZigBee通信模塊，天線；以通過ZigBee協(xié)議與桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)進行無線電通信，發(fā)布控制指令并讀取上傳的數據。

有益效果

本發(fā)明提供的桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)能夠較好的在實驗室環(huán)境中模擬與演示教學涉及的航天工程技術原理，系統(tǒng)采用開放式結構，具有很好的機械、電子和軟件擴展能力，適合不同水平層次的操作者使用，操作者可以通過對系統(tǒng)的擴展和編程以完成不同的航天工程技術教學實驗與模擬的航天任務，針對航天工程教育的需求與特點激發(fā)學生的科技創(chuàng)新思維，培養(yǎng)其工程能力和協(xié)作精神。

附圖說明

圖1圖1是本發(fā)明的總體結構圖；

圖2與圖3是本發(fā)明的結構分解圖；

圖4是本發(fā)明懸掛在龍門架上演示單自由度姿態(tài)調節(jié)的示意圖；

圖5是龍門架上調節(jié)掛繩張力的裝置結構圖；

圖6是本發(fā)明固定在轉臺上演示單自由度姿態(tài)調節(jié)的示意圖；

圖7是轉臺的結構圖；

圖8是本發(fā)明的系統(tǒng)框圖。

圖中：1.通訊天線，2.掛繩座，3.頂板，4.側壁板一，5.螺釘，6.空心尼龍柱，7.RS232接口，8.充電接口，9.電源開關，10.底板，11.框架立柱，12.框架橫梁，13.薄膜太陽能電池板，14.反作用飛輪，15. 螺釘，16.電機，17. 側壁板二，18.集成電路板，19.定位螺桿，20.尼龍螺釘，21.L型支座，22.尼龍支柱，23.鋰電池組，24.磁矩棒，25.龍門架橫梁，26.龍門架立柱，27.龍門架底座，28.角支撐塊，29.掛繩，30.軸承座，31.軸承，32.螺釘，33.滑塊，34.微調絲桿，35.轉臺臺面，36.底板定位塊，37.限位螺釘，38.推力球軸承，39.轉臺底座。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明進一步詳細說明：

根據附圖2和附圖3所示的實施例，桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)的機械本體采用了立方體的框架結構。立方體框架由框架立柱11與框架橫梁12組成，用螺釘緊固。立方體框架的6個表面均設有了螺紋孔，用于安裝有機玻璃材質的壁板，在壁板上安裝有各種零件。

例如，頂板3上安裝有通訊天線1、掛繩座2以及電機16，飛輪通過螺釘15安裝在電機上；底板10上安裝有鋰電池組23、正交布置的一組磁矩棒24以及四個尼龍支柱22，每一層的集成電路板四角留有安裝孔，尼龍螺釘20穿過安裝孔后將集成電路板19固定在L型支座21上，定位螺桿19穿過若干層L型支座21上的定位孔后旋入尼龍支柱22頂部的螺紋孔，從而固定住多層集成電路板；薄膜太陽能電池板13的四周留有安裝孔，螺釘5穿過安裝孔與空心尼龍柱6后再穿過側壁板4上的安裝孔，形成一個夾層狀的結構，固定在框架橫梁12上；側壁板二17上設有三個安裝口，對應安裝RS232接口7、充電接口8與電源開關9。

根據附圖4和附圖5所示的實施例，衛(wèi)星模擬器通過掛繩29懸掛在龍門架上，從而進行單自由度的飛輪調姿演示。龍門架由龍門架橫梁25、龍門架立柱26、龍門架底座27與角支撐塊構成。掛繩張緊力與長度可以通過附圖5中所示的絲杠螺母副裝置進行調節(jié)。軸承座30安裝在龍門架橫梁25上，掛繩的一端系在滑塊33上的螺釘32上，另一端系在掛繩座2上，轉動微調絲杠34可以帶動滑塊33直線平移從而使掛繩張緊或者松弛。

附圖6所示的實施例是將本發(fā)明固定在轉臺上，從而進行單自由度飛輪姿態(tài)調節(jié)的。轉臺的具體結構如附圖7所示，推力球軸承38下半片安裝在轉臺底座39上，上半片安裝在轉臺臺面35上。轉臺底座39的中央開有螺紋孔，限位螺釘37穿過轉臺臺面35中央的沉孔，與其螺紋緊固，從而封閉住轉臺臺面35與轉臺底座39。底板定位塊36固定在底板10的下表面正中位置，將其嵌入轉臺臺面35中央的沉孔中即可完成桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)在轉臺上的安裝與定位。安裝完成后，桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)在演示飛輪調姿的過程中即可在轉臺上進行繞固定軸的單自由度旋轉。

附圖8所示的實施例，本發(fā)明的電子電路部分由數據處理模塊、電源管理模塊、熱控制模塊、姿態(tài)控制模塊與無線電通信模塊組成。數據處理模塊的核心是Cortex-M4微控制器39，負責系統(tǒng)的數據處理與指令發(fā)布。電源管理模塊的核心是電壓控制芯片40，由其調控太陽能電池板41與鋰電池組42提供的電向壓，其余各個模塊輸送電能并上傳電源的電壓信號。當電源電量低于50%時，微控制器將發(fā)布指令，逐步停止姿態(tài)控制模塊、熱控制模塊與通信模塊的工作直至電能耗盡。熱控制模塊主要由溫度傳感器43與電熱片44組成，溫度傳感器負責測量系統(tǒng)的內部溫度并上傳溫度數據，由數據處理模塊根據預先設定的閾值發(fā)布指令控制電熱片加熱，使系統(tǒng)內部的溫度能夠維持在設定的水平，從而體現與演示真實衛(wèi)星必備的系統(tǒng)熱控制功能。姿態(tài)控制模塊由電子羅盤45、太陽能敏感器47、磁矩棒48與反作用飛輪14組成，反作用飛輪安裝在電機16上，電機由電機控制板46控制。使用者根據電子羅盤45、太陽能敏感器47測得的位置數據與姿態(tài)數據，編寫算法控制帶動反作用飛輪的電機轉速與轉向，從而控制桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)轉向特定方向，實現單自由度飛輪調姿的功能演示。通信模塊由ZigBee通信模塊49與天線50構成。各個子模塊與數據處理模塊之間采用CAN總線傳遞數據，由微控制器發(fā)布指令統(tǒng)一控制。計算機端的通信模塊通過USB數據線與計算機連接，使用者的計算機上安裝帶有圖形化用戶界面的操控軟件后，可以通過ZigBee協(xié)議與桌面衛(wèi)星模擬系統(tǒng)進行無線電通信，發(fā)布控制指令并讀取上傳的數據。、

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明揭露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求的保護范圍為準。