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吕梁一号/Lvliang-1(星载AIS):智能号手机卫星(CAS-3I)

2017年5月19日,第十二届“挑战杯”湖南大学生课外学术科技作品竞赛决赛在长沙开启。

   5月20日,比赛进入闭馆答辩环节,在现场,记者看到了数量繁多的科技发明制作。国防科技大学郭剑鸣团队研发的“智能细胞立方星”吸引了记者的目光。

  “传统卫星制造门槛高,造价昂贵,系统设计复杂。智能手机功能多样,集成度高,具备开放的操作系统,功能扩展便捷。能否利用手机硬件和软件运作原理来开发卫星?为此,我们提出了‘智能细胞立方星’的解决方案——让卫星智能化,手机飞上太空。”郭剑鸣说。

  智能细胞立方星,以智能手机主板为基础,在Android平台上设计星务系统,使卫星具备开放性的特点,实现卫星一定程度的智能化;保留手机自带的高集成度传感器,如相机、陀螺仪、加速度计等,为卫星所用,实现空间拍照、录像、空间测量等功能,同时预留标准化载荷接口,使得卫星在功能上的扩展性大大增强;采用自主研发的微推进分系统作为卫星推进部件,该部件已通过地面实验测试,使卫星具备一定的轨道机动能力,为复杂空间任务,如伴飞观察、编队飞行等提供技术支撑。

  “利用手机主板等商用器件,具有系统开放、集成度高,价格低廉、研发周期短等优势,促进航天器标准化、系列化和快速批量化生产,从而推动航天产业民用化、商业化发展。”郭剑鸣介绍说,目前,一代实验星——手机卫星,已随国防科大“天拓三号”卫星发射入轨,是国内首颗基于手机主板开发的卫星,该手机卫星的寿命可达一年之久,远远超过NASA的手机卫星两周的寿命;二代星将微推进系统用于微小卫星平台,有望解决微小卫星难以进行轨道机动的问题,属国内首创。 


All on-board functional modules are controlled by a Nexus5 motherboard running the Android OS, which enables more expensive control algorithms and a higher level of integration. 

Some COTS parts of smartphones are also integrated as payloads, like a SD card, an industrial gyroscope and a 2-megapixel camera. Additionally, the Femtosat called Stardust is only 28 grams and equipped with four subsystems, which can achieve the basic function of a common satellite. Through inter-satellite separation, the Picosat was launched from “Tiantuo-3” satellite on September 20, 2015, and then the two Femtosats were released successfully. Though the design lifetime of the Picosat is 1 month, it has fully functioned well for nearly 1 year and the spatial wireless self-organizing network is still normally operating between the Picosat and Femtosat. More than 400 photos have been downloaded. The intelligence of this new PhoneSat architecture is proved, and the potential of flying in formation and fulfilling more complex missions is appealing. 



他们与“智能号”天地对话   记研制我国首颗手机卫星的国防科大研究生团队

科技日报  特约记者 王握文 通讯员 章飞钹

    清晨,当天空刚刚露出鱼肚白,国防科技大学航天科学与工程学院何亮等几名研究生就会麻利地起床,赶往纳星研究生创新基地,与他们自主研制的我国首颗“智能号”手机卫星进行“天地对话”。

    “她就像是一个听话的孩子,每天从我们头顶上空经过时,就会从遥远的太空传送信号,报告平安。”说这话的是硕士研究生何亮,他虽然还没结婚,却把“智能号”手机卫星当成是他和同学们的孩子。

    为什么叫“手机卫星”?何亮告诉记者:“因为它是以商用智能手机主板和安卓操作系统为核心设计完成的微纳卫星。国外只有美国发射过,但‘智能号’是国内首颗,重量只有1公斤。”言语中,他充满了自豪感。

    今年9月20日,“智能号”手机卫星作为该院研制的“天拓三号”集群卫星中的6颗之一,在我国太原卫星发射中心发射升空。准确进入预定轨道。“天拓三号”的主星“吕梁一号”已成功完成了我国首次航空目标自动识别信号接收等试验,引起国内外广泛关注。“智能号”手机卫星与其它4个0.1公斤级的卫星似乎受到了冷落。

    “其实,由我们16名硕士研究生一起自主研制的这颗手机卫星同样不简单,在轨进行的试验也很成功喔!”负责星务管理分系统设计的研究生陈东说,与美国直接把手机发送上天相比,他们是通过对手机进行改装再创新,自主设计增加了姿控、星务、通信、电源等卫星必须的子系统,去掉了手机屏幕、外壳和扬声器等器件,这样既减轻了手机卫星重量,又具有微纳卫星所必须的功能,使“智能号”具有美国手机卫星所没有的三轴稳定功能和较长的寿命。

    “智能号”手机卫星发射后,在太空要与“天拓三号”其它5颗卫星组网,实现集群飞行。通信系统就成为决定其成败的关键。负责这项工作的张永鹏感到压力很大。为了确保通信子系统能在各种环境下可靠运行,他常常一个人背着10公斤的设备跑到校外几公里处的地方向纳星研究生创新基地的接收实验室发送信号,反复进行测试。在最后调试阶段,他与负责安卓手机主板改装的吴帅,经历了300多次连通测试,连接线的接头都已经磨得光滑锃亮,最终确保了卫星通信系统的万无一失。

    何亮负责卫星姿控子系统的开发。在姿控板的研制中,开始一直不能实现正常通信。问题出在哪里?他一遍遍地检查测试,常常加班到凌晨三点。最后,他发现是生产原器件的厂家将比特率标注错了。找到了问题所在之后,难题迎刃而解。他感叹道:搞科研必须严谨细致,特别是做卫星,一个小故障可能导致整个卫星报废。善于从别人的教训中吸取经验,这是他们研制中的又一种收获。

    研制一颗卫星难不难?吴帅回答:只要勇于创新,敢于实践就不难。

    他们研制的这颗“智能号”手机卫星只用了8个月时间。但在这8个月里,吴帅体重足足下降了16斤。他打趣道:研制卫星的一个好处就是不费一点功夫就能减肥。同学们说:“吴帅的减肥效果是好,就是有掉头发的副作用。”原来,吴帅因为经常通宵加班攻关,作息不规律,导致大把大把地掉头发,头上出现了多处秃斑。

    “千淘万漉虽辛苦,吹尽狂沙始到金。”一个多月的遥测数据表明,“智能号”手机卫星在轨状态良好,成功完成了子母式卫星在轨释放、空间自组织网络、多星协同测控等新技术的在轨技术验证。目前卫星状态非常好,远远超过了美国手机卫星7天的寿命,并且为研究生们开展各种创新试验提供了很好的在轨平台。

    现在,这些研制“智能号”手机卫星的研究生又有了更加大胆的想法,他们计划利用手机卫星成本低廉的优势,未来将大量手机卫星发射到太空中组成星座,形成覆盖全球的太空网络,并将该网络与地面物联网连通,助推人类智能生活时代的到来,让卫星飞入寻常百姓家……

    天上的星星亮晶晶。他们的这颗星虽然用肉眼看不见,却照亮了学子们通往强军目标的道路,将目光投向遥远的太空。


       国防科技大学航天科学与工程学院对外发布:该院自主设计和研制的“天拓三号”微纳卫星发射升空后,主星“吕梁一号”星载ADS-B(航空目标自动识别信号)接收系统,成功实现对全球范围航空目标的准实时目标监控、空中流量测量,接收的报文数据可为航空安全、航线优化、航空管制和提升航空效率提供信息服务。此举表明,国内首次进行的星载航空目标自动识别信号接收试验取得圆满成功。

         ADS-B是接收航空器自动播发自身位置、航向、航速等信息的监控设备,可实现空空、空地之间的相互报告与监视,以便于相互识别、保持安全间距和地面指挥调度。传统的ADS-B监控设备一般只在飞机和机场安装使用,覆盖范围有限,仅能获取飞机和机场周边空域的航空目标识别信号。星载ADS-B虽然接收信号覆盖面广,但远距离、高动态及太空特殊环境等因素影响,对其灵敏度、稳定性要求高,技术实现难度较大,目前世界上只有德国、丹麦等少数国家开展过星载ADS-B系统在轨接收试验。

         该校微纳卫星技术创新团队在“天拓三号”主星及其星载ADS-B系统研制中,突破了通用化多层板式微纳卫星体系结构、全球海空动态目标测量与信号接收、多维信息获取与融合处理等一系列关键技术,使星载ADS-B系统具有灵敏度高、运行稳定性好、数据存贮量大、质量轻、功耗低、效费比高等特点,其技术性能达到国际领先水平,有力提升了我国实用型微纳卫星研制与应用能力。

          据介绍,“天拓三号”自9月20日在太原卫星发射中心发射升空后,主星“吕梁一号”平均每天可接收全球范围40多万条ADS-B报文数据,幅宽超过2000公里,从每条报文中可以识别该航空目标的机型、代码、位置、速度、高度和航线等信息,数据清晰,航线及密度一目了然。目前“吕梁一号”在轨运行状态良好,ADS-B报文数据接收稳定,系统已实现业务运行,正在根据有关用户需求开展航空信号报文服务。有关专家指出,有了星载ADS-B系统,就能有效避免“马航”、“亚航”失联这样的事件,还能从其海量数据中分析提取对航空管制、物流监控、经济形势有潜在价值的信息。


         科技日报太原9月20日电 (记者王海滨 通讯员章飞钹)20日7时01分,由国防科大吕梁军民融合协同创新研究院立项支持,国防科技大学自主设计与研制的“吕梁一号”微纳卫星,在我国太原卫星发射中心搭乘长征六号运载火箭发射升空,准确进入预定轨道。

  “吕梁一号”采用了通用化多层板式微纳卫星体系结构。主要开展新型星载船舶自动识别系统(AIS)信号接收、星载航空目标信号广播式自动相关监视系统(ADS-B)信号接收、火灾监测、20公斤级通用化卫星平台技术等系列科学试验和新技术验证。它是“吕梁号新型船舶自动识别信号接收系统”中的首颗微纳卫星。该系统能对全球范围船舶快速完成位置、航向、航速等信息的接收,实现了对我国现有岸基AIS系统的有效补充。航空目标信号接收的星载ADS-B则可对全球范围航空目标实行准实时目标监控、空中流量测量,为航线优化和提高航空飞行效率提供信息服务,这是我国首次开展此项卫星载荷在轨试验。

   2013年,国防科大吕梁军民融合协同创新研究院联合国防科大航天科学与工程学院组建山西省微纳卫星工程技术研究中心,开展星载船舶自动识别信号接收微纳卫星系统研制。“吕梁一号”的成功发射,不仅是吕梁发展史上卫星发射零的突破,也标志着吕梁市与国防科技大学在军民融合协同创新上迈出了重要一步,对推动我国军民融合发展具有积极的示范和促进作用。下一步,微纳卫星工程技术研究中心将研制发射多颗微纳卫星并实现多星组网,获取全球船舶动态数据,建立全球船舶动态数据库,同时推广微纳卫星的技术应用,带动相关产业的发展。


[朝闻天下]山西太原:长征六号运载火箭首飞成功·新闻链接:国内首次开展微纳卫星集群飞行

http://tv.cntv.cn/video/C10598/1d113be1ad8d48cc9e355ffa0a1f0110

[湖南新闻联播]国防科大研制“天拓三号”微纳卫星成功发射

http://news.cntv.cn/2015/09/20/VIDE1442745725517240.shtml


国防科大“天拓三号”微纳卫星成功升空

         由国防科技大学自主设计与研制的“天拓三号”微纳卫星,今天7时01分,在我国太原卫星发射中心搭载“长征六号”运载火箭发射升空,准确进入预定轨道。 

   

       “天拓三号”是由6颗卫星组成的集群卫星,包括1颗20公斤级的主星、1颗1公斤级的手机卫星和4个0.1公斤级的飞卫星。卫星入轨后,手机卫星和飞卫星与主星分离,以“母鸡带小鸡”的方式通过太空组网,实现6颗卫星集群飞行。

       “天拓三号”主星“吕梁一号”采用了通用化多层板式微纳卫星体系结构。主要开展新型星载船舶自动识别系统(AIS)信号接收、星载航空目标信号广播式自动相关监视系统(ADS-B)信号接收、火灾监测、20公斤级通用化卫星平台技术等系列科学试验和新技术验证。该项目研制得到山西省吕梁市军民融合协同创新研究院立项支持,是“吕梁号”AIS系统中的首颗微纳卫星。该系统能对全球范围船舶快速完成位置、航向、航速等信息的接收,并实现对我国现有岸基AIS系统的有效补充。星载ADS-B系统则可对全球范围航空目标实行准实时目标监测、空中流量测量,为航线优化和提高航空飞行效率提供信息服务,这是我国首次开展此项卫星载荷在轨试验。

         从“天拓三号”分离释放的手机卫星“智能号”是国内首颗以商用智能手机主板和安卓操作系统为核心设计完成的卫星;释放的4颗“星尘号”飞卫星是国内首颗飞卫星,也是世界上最小的卫星之一。主星与手机卫星、飞卫星之间将开展子母式卫星在轨释放、空间自组织网络、多星协同测控等空间技术试验在轨技术验证。

       “天拓三号”的成功发射和多项在轨试验的顺利开展,是国防科大在研制成功世界首颗单板纳星“天拓一号”、我国首颗视频成像体制卫星“天拓二号”之后,在微纳卫星领域取得的又一自主创新成果,标志着国防科大在军民融合协同创新上迈出了重要一步。

        据介绍,承担“天拓三号”研制任务的是该校航天科学与工程学院一支平均年龄不到30岁的微纳卫星研究团队,在读研究生和本科生占70%。在项目研制的一年多时间里,他们立足前沿、大胆创新、顽强拼搏、集智攻关,突破掌握了多种质量微纳卫星研制、全球海空动态目标测量与信号接收、子母卫星在轨释放、空间自组织网络等一系列关键技术,为我国微纳卫星研制与应用奠定了技术基础,取得了科技创新与人才培养的双丰收。


     为做好“吕梁一号”微纳卫星的宣传保障,提前开展相关筹备工作,5月26日,市委常委、宣传部部长张敬平,宣传部常务副部长薛波一行赴研究院就“吕梁一号”卫星发射新闻宣传工作进行专题调研。研究院党委书记陆崇相、副院长郭宝陪同调研。

        张敬平一行先后参观了研究院云计算中心和科技展厅,着重了解了研究院微纳卫星项目的基本情况。张敬平在调研中指出,“吕梁一号”卫星发射的新闻宣传工作具有十分重要的意义,吕梁宣传部门要全力以赴,做好卫星发射的新闻宣传工作,市委宣传部要与研究院加强协调配合,成立“吕梁一号”卫星发射宣传工作领导组,提前做好新闻媒体的邀请和新闻宣传的前期准备工作。 

       微纳卫星项目是研究院承担的由国防科大与吕梁市政府合作的四个重点项目之一,目前“吕梁一号”微纳卫星的项目进展已取得重大突破,经总装备部审定批准,“吕梁一号”卫星将于今年8月左右在太原卫星发射中心发射。“吕梁一号”卫星的命名和发射应用对吕梁市乃至山西省的经济社会发展将具有重要影响,特别是对重塑吕梁形象、传递正能量极具重要意义。“吕梁一号”卫星发射的新闻宣传工作将充分借鉴国防科大“天拓一号”、“天拓二号”卫星的成功经验,广泛邀请国家、省、市、行业媒体进行宣传报道,扩大新闻宣传的覆盖面和影响力。

        山西省微纳卫星工程中心,“吕梁一号、二号”卫星研制生产进入程序,其中一号卫星已完成搭载申请、电性星研制、模态星研制、首次星箭对接,初样鉴定星计划于2015年5月完成正样星生产,7月择机发射;“吕梁二号”搭载计划已经得到总装备部航天局原则同意,预计2015年年底或2016年年初择机发射。另外,“吕梁一号”卫星侦收数据的应用推广工作已经启动,在做好卫星研制发射的同时实现成果转化和产业对接。目前,卫星地面接收站已初步建设完毕,这标志着吕梁市向智慧城市又迈进一步。

      国防科学技术大学(吕梁市人民政府)军民融合协同创新研究院于2012年10月由国防科学技术大学和吕梁市人民政府共同组建,是开展军民融合、军地合作的技术研发与成果转化的创新平台。

       星载AIS系统是一种通过低轨道卫星接受、传输船舶发送信号,实现对远海海域航行船舶进行监控的船舶定位技术,可以接收船舶运行信息,为海运、导航、船舶管理提供数据支持。

       微纳卫星将为海运、导航、船舶管理提供数据支持。该项目计划在吕梁研制并发射两颗微纳卫星(吕梁一号、二号),组网侦收全球范围内的AIS信息。该项目一期、二期分别发射4颗卫星,远期再发射8颗,形成16星组网星座方案。提高AIS在轨侦收时效性和数据应用有效性。

       AIS卫星及各类终端、配套件的研制与生产,将带动众多高科技产业的发展,形成从研制生产到应用服务的巨大产业链。通过AIS卫星发射以及配套建设,吕梁将建成卫星AIS数据接收中心、全球船舶动态监视中心、AIS数据服务中心以及微纳卫星研发基地。


      纳星是将星务管理、电源控制、姿态确定与控制、测控数据传输等基本功能部件,集成在单块电路板上的微小卫星。是由国防科技大学和航天513所提供技术支撑,目前已成功研制出“吕梁一号”(01、02)两颗微小卫星,正在积极与总装协调搭载发射窗口,最终要形成24颗星组网运营,并在吕梁建立地面测控站提供相关服务。主要用于各类信号的传输、接受、定位、图像处理以及微纳卫星的定制。

       星载AIS系统是一种通过低轨道卫星接受、传输船舶发送信号,实现对远海海域航行船舶进行监控的船舶定位技术,可以接受船舶运行信息,为海运、导航、船舶管理提供数据支持。

       目前,吕梁1号和吕梁2号微纳卫星的研制工作基本完成,正在积极与总装协调搭载发射窗口,并已完成吕梁地面站接收站的选址论证工作。同时与航天科技集团公司第五研究院第513研究所已展开合作,争取在卫星研制方面逐步形成为用户单位提供微纳卫星整星(星座)研制的能力和部组件的批量化生产能力。

      微纳卫星生产运营公司总投资20亿元,形成24颗星组网,组网完成后,国内可生产2亿元的运营收入,国外约1亿美金市场。

      下一步还计划基于吕梁AIS卫星地面站获取的全球传播动态数据,带动相关数据产业发展,分析提取国防、经济、安全的战略信息,建立全球船舶航运动态数据库。这对于掌握国际航运经济发展的脉搏,准确调控我国的航运发展态势及方向,保障航运安全具有重要意义,也将产生巨大的经济和社会效益。

       AIS卫星及各类终端、配套件的研制与生产,将带动众多高科技产业的发展,形成从研制生产到应用服务的巨大产业链。现在国内微小卫星市场每年约100颗(平均重量10-50公斤),国外市场潜力巨大,平均每颗3000万元以上,市场收益约30亿,如果每年按发射20颗计,约10亿收益,微小卫星的运营除巨大的经济效益除外,还有巨大的政治效益,能大大提升我国的信息化建设水平和国防安全能力。通过AIS卫星发射以及配套设施建设,吕梁将建成卫星AIS数据接收中心、全球船舶动态监视中心、AIS数据服务中心以及微纳卫星研发基地。该项目由山西奥通卫星有限公司进行承接落地。


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