4.3 本章小结 40

结  论 41

致  谢 42

参 考 文 献 43

1  引言

1.1 课题研究背景

1.1.1 立方体微纳卫星

近年来，微纳卫星[1]（质量小于10千克，具有实际使用功能的卫星）发展迅速。因为它具有体积小，功耗低，开发周期短，成本低等优势，在科研、国防等领域发挥着重要作用。微纳卫星的出现为通讯、航天、环境等行业带来了新的前景，其低廉的成本也在全球范围内引发了微纳卫星研制计划的热潮。随着微纳卫星技术的进步，其在航天领域的发展越来越快，应用也日趋多元化。

1999年，美国加州理工大学（Cal Poly University）与斯坦福大学（Stanford University）共同提出了立方体微纳卫星（CubeSat）的概念[2]，使得立方体纳卫星（以下简称立方星）成为微纳卫星的一项通用标准。立方星是以“U”为单位进行划分的，1U是指尺寸为100*100*100mm,质量大约为1.3kg的一个标准单元，输出功率仅相当于一部手机，如图1.1所示。根据不同的任务需求，立方星可以在一根轴或多根轴上进行扩展[3]，形成双单元（2U）、三单元（3U），甚至六单元（6U）的立方星。

图1.1  1U立方体纳卫星

立方星主要有轻小型化、轻量化、低功耗和低成本，一体化、模块化和标准化，可快速组网、分散部署和生存能力强，功能扩展性强，使用灵活并且可以及时发射等优点[4]。其主要用途包括：技术在轨演示验证、科学探索、星间或星地通信和卫星组网等。由于立方星运行在地球低轨道，其空间分辨率较高，同时数据延迟时间和传输过程过的损耗会减少，因此可以通过立方星组成的网络系统实现全面通信。

1.2 微型天线收发模块概述

1.2.1 小卫星通信系统

小卫星的轨道高度比较低，一般在几百至几千公里。小卫星通信的路径损耗低，传输时延小，可以在卫星天线较小，发射功率较低的状态下达到较高通信质量，同时其天线覆盖区小又保证了较好的保密性和抗干扰性[5]。目前常见的小卫星通信系统包括两部分：空间段以及地面站。

有效载荷与卫星平台共同构成了空间段。小卫星平台上可以搭载姿态控制模块、通信模块，星务计算机模块，电源模块，测控模块等。早期的小卫星平台包括电源、姿态与轨道控制、遥测遥控、热控、结构等5个分系统[6]。近年来，随着对小卫星的深入研究和改进，将平台大体分为载荷控制、服务系统及返回控制三大部分。

在不同的任务中，卫星需要搭载不同的设备仪器等，这些设备和仪器称为有效载荷，它是卫星中最重要的部分。其中，通信模块是必不可少的。通信模块一般包括天线和收发机，是卫星中的通讯设备，在空间中担任测控工作，并将测试结果下行发送给地面站。

地面通信站的作用是与太空中的小卫星交换数据，传输文本和图像数据。在功率受限和天线小的情况下，与FDMA（频分多址）相比，CDMA具有抗多径、抗干扰、易切换和扩容等特点[7]。

1.2.2 微型收发模块研究背景介绍

在小卫星上实现通讯功能的是微型收发模块，主要负责星地之间的通讯。目前小卫星上的通讯设备是测控应答机，主要用来实现地面站上行信号的接收与转发以及兼有接收机和发射机的功能[8]。为了实现卫星在轨测试任务，测控应答机需要具备：发送稳定下行载波，接收地面站上行信号并进行转发与跟踪，接收解调侧音测距信号，接收地面指令，将星上状态与数据编码调制并发送回地面等功能。

电路技术的进步使应答机更加小型并更加集成。近年来，为满足日益提高的深空探测要求，美国国家航空航天局研制了多种应答机。分为：模拟应答机，低中频应答机，中频数字应答机。