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微型立方体卫星的强大天线 室内卫星电视天线

室内卫星电视天线(微型立方体卫星的强力天线)
挑战就是这样开始的 。2014年11月的一天早上，我在JPL(美国加利福尼亚州帕萨迪纳市)的同事Kamal Oudrhiri突然闯入我的办公室，提出了一个诱人的建议 。一颗全新的人造卫星正驶向火星 。该卫星将搭载美国宇航局的InSight火星着陆器，在着陆器进入火星区域、着陆和降落的关键时刻，可以将数据实时发回地球 。奥黛丽解释说:“我们必须达到每秒8千比特的传输速率，但功率是有限的 。唯一的希望是使用大型天线，但这颗卫星只有公文包那么大 。”这颗火星探测卫星名为CubeSat，此前从未有如此小尺寸的卫星飞过近地轨道 。发射时需要收起天线，天线的体积只有830立方厘米左右 。不久之后，天线展开了，它的体积达到了卫星的三倍 。经过1.6亿公里的飞行，我们将到达火星，在此期间，我们将经历发射时的剧烈冲击和外层的极端温度空 。看到有多难了吧？幸运的是，我和我的同事热爱挑战，很高兴有机会将CubeSat技术推向极限 。对于从事地球图像和观测的研究人员和新兴公司来说，这些微型航天器已经成为最常用的航天器 。与传统卫星相比，这些卫星更便宜，体积更小，重量只有几公斤，准备发射只需要几个月，而不像标准航天器需要几年的准备时间 。随着时间的推移，得益于摩尔定律在电子工业领域的进步，立方体卫星所能搭载的传感器和程序处理功能变得越来越强大、精密、轻量化、高效节能 。━━━━━━━━━特别是，很难所以这些微小卫星只能局限在地球轨道内，并不能推动地球轨道外的科学前沿探索 。如果我们能够找到一种方法，为立方体卫星配备强大的高增益天线，将会创造许多新的研究和探索机会 。环绕地球的立方体卫星最终将能够基于雷达进行科学研究，例如测量气流和降水 。使用高数据率天线，cube卫星将能够扩大探索领域，探索太阳系 。经过多年的不懈努力，JPL天线研究小组终于用两种不同的方法解决了这个问题 。在一个名为“Radarin a CubeSat”(又称RainCube)的项目中，我们设计了一个可展开天线，当卫星到达轨道时，它将像一把伞一样展开 。另一个名为“火星立方体-1”(又名MarCO)的项目计划于今年5月发射 。我们已经创造了一个平面天线，可以部署在立方体卫星的表面 。我们的成功促使美国宇航局考虑使用这些微型平台来执行曾经被认为只有大型传统卫星才能执行的任务 。我们的天线技术已经获得专利，并授权给几家商业公司 。下面将详细描述我们是如何完成这个很多人认为难以实现的工程壮举的，以及在这个过程中我们收获了什么 。立方体卫星不是唯一的微型卫星，但它们具有最强的适应性，引起了广泛的关注 。它的基本构件是一个边长只有10厘米、最大重量为1公斤的立方体 。这些“一个单位”(1U)的立方体可以根据需要连接在一起；常见的变体由3、6或12个立方体组成 。斯坦福大学和加州理工学院州立大学的工程师在1999年首次开发了立方体卫星，以帮助学生自己设计、制造、发射和操作卫星 。此后，各种立方卫星分系统投入使用，成为专业任务的通用工具 。首先，这种卫星可以快速安装 。在JPL，从开始计划到完成设计、组装和测试只需要10到12个月，但对于模块较少的大型航天器来说，这一过程需要3年甚至更长时间 。当然，数千公斤重的传统卫星比微型立方体卫星能携带更多的仪器 。然而，对于有特定目的的任务，立方体卫星是一种既经济又有吸引力的选择 。而且发射立方体卫星可以提高航天器的时间分辨率 。与大型航天器相比，对同一区域的遥感更加频繁 。在我们新天线的帮助下，使用RainCube和MarCo执行各种任务不仅可行，而且明智 。顾名思义，创建RainCube的目的是观测天气 。它的雷达可以帮助美国宇航局研究降水，改进天气预报模型 。科学家们计划发射一系列这样的卫星，这样时间分辨率就可以比单个大型卫星提供的时间分辨率更高 。这种微型雷达装置的体积仅相当于一个麦片盒子的大小(按照CubeSat的说法是6U) 。这个小盒子必须包含电源系统、计算机、控制系统和所有其他设备 。就像任何一个麦片盒子一样，这个盒子需要空的空间来装最重要的东西:雷达 。RainCube的首席研究员伊娃·佩拉尔(Eva Peral)通过一系列原创的工程设计，将雷达装置缩小并简化了一个数量级 。但是，当设备中安装了其他设备时，只剩下1/4的空空间用于雷达及其天线 。卫星将通过抛物面天线发送和接收雷达信号 。主抛物面天线将这些信号反射到一个叫做副反射器的装置，副反射器将这些信号传输到“喇叭天线”，然后从那里传输到雷达电路系统 。在450-500公里的高度，RainCube的雷达会探测到它穿过的云层，因此只需使用0.5米宽的天线就可以获得10公里宽的雷达覆盖区域 。但是在展开之前，需要将天线折叠成一个体积为10 cm× 10 cm× 15 cm的小盒子 。雷达工作频率为35.75 GHz，这意味着反射面部署的精度必须极高，形状偏差不得超过200微米 。显然，我们必须克服一些棘手的设计挑战 。经过激烈的头脑风暴，由乔纳森·索德(Jonathan Sauder)、马克·汤姆森(Mark Thomson)、理查德·霍奇斯(Richard Hodges)、叶海亚·拉赫马特-萨米(Yahya Rahmat-Sami)和我组成的RainCube天线研究团队选择了一种天线，它的工作原理就像是把雨伞放在一个盒子里 。在可用体积有限的情况下，这种方法是最简单的解决方案 。当伞打开时，伞骨向外延伸，直到伞面收紧 。RainCube的天线工作原理也是一样的:展开时，一系列的肋条将天线拉成适合发送和接收信号的形状 。伞骨的数量决定了这种形状的精度和准确度 。如果只用3根筋(绝对最小值)，就能形成一个三面金字塔；理论上，大量的肋可以形成精确的天线抛物面，但增加更多的肋也增加了展开出错的可能性 。我们最终确定Raincube的最佳伞骨数量为30根 。这个量可以提供具有足够精度的抛物面，并使展开失败的风险最小化 。为了进一步提高雷达天线系统的整体精度，工程师们设计了一个二次反射器，以反映由30个肋组成的天线的形状，包括与理想状态的微小偏差和聚焦雷达的精度 。二次反射面的调谐使雷达效率提高了6%，进而使雷达的信噪比提高了12% 。需要重新考虑的不仅仅是天线模型 。在可展开结构中，喇叭天线通常嵌入卫星体内，以获得射频信号 。但是在RainCube使用的Ka频段，线缆会损失太多信号 。因此，JPL的工程师设计了一种由空芯金属管组成的波导，信号可以通过它传播 。波导管是固定的，天线的其他部分沿着它滑动并膨胀 。RainCube的伞状设计别出心裁，但是空之间的环境对机电系统的挑战很大 。在发射过程中，天线要承受发射过程中的剧烈震动和其轨道上的巨大温度变化——立方体卫星在进出地球阴影时，内部组件的温差通常为-20℃到85℃，在Tai 空中，即使是一个小组件的故障也可能导致整个任务的失败，NASA的工程师对此非常清楚 。RainCube的天线明显类似于伽利略的由18根筋组成的高增益天线，但伽利略的天线在1991年部署失败 。但是我们的RainCube天线有一个很大的优势 。与伽利略探测器4.8米宽的天线不同，RainCube的天线非常小，可以在真实空的房间中进行测试，所以我们进行了各种测试 。事实上，在第一次振动测试后，其中一根筋未能展开，研究团队通过跟踪一根弹簧发现了设计缺陷 。在我们重新设计了组件后，天线成功通过了所有测试，现已准备发射，最早可于今年5月进行 。发射成功将是一个分水岭事件，为所有搭载科学实验的立方体卫星进入地球轨道开辟了道路 。很难想象像立方体卫星这样微小而复杂的装置能在无边无际的星际空间中漫游空 。尽管如此，我们仍然期望今年有两颗公文包大小的立方体卫星来承担这项任务 。2018年5月，双星MarCO卫星将搭载NASA的Insight着陆器L 空，成为首颗进入Tai 空深空的此类卫星 。孪生卫星将于11月抵达火星，这将有助于着陆器与地球上的美国宇航局外层空网络实时通信，并与自2006年以来一直在轨道上运行的火星勘测轨道飞行器(MRO)一起运行 。MarCO cube卫星可以利用超高频环形天线接收“洞察”号着陆器在着陆、降落和降落过程中的数据 。每颗卫星的软件定义无线电将通过频率更高的X波段向地球发回数据，穿越1.6亿公里的星际空间空，由deep 空网络天线(每根天线宽70米)接收 。考虑到立方体卫星无线电有限的射频输出功率，这种微小卫星的天线需要33.5 cm× 60 cm的孔径才能建立8千比特/秒传输的无线电线路 。理想情况下，MarCO cube卫星有和RainCube一样的抛物面天线，但是不容纳空房间 。研究团队只能使用4%的飞船有效载荷空，有效载荷重量必须控制在1kg以内 。这还不够 。该方案还要求我们只使用立方体卫星的一面 。MarCO的时间表很紧——从天线开发到集成到航天器上只有9个月——这意味着我们没有足够的时间来设计定制组件 。因此，在可行的情况下，我们依靠现成的组件来简化设计 。我们创造了一种叫做反射阵列的平面天线，它由三部分组成的控制面板组成，从飞船的一侧翻转出来，在弹簧铰链的推动下打开 。随着控制面板从航天器主体中弹出，天线的喇叭将伸出并围绕连接器旋转 。反射方向图分布在天线的平面上，可以以抛物面天线的方式向地球集中信号 。MarCO发射时很可能会携带第一个反射阵进入deep 空 。如果任务成功，我们将看到更多的立方体卫星发挥类似的作用 。例如，现在来自火星探测器和着陆器的数据只能通过更大的航天器如MRO传回地球 。未来的立方体卫星将能够进入火星轨道，并以更低的成本帮助转发这些数据 。━━━━━事实上，我们的研究团队已经下一个“OMERA”天线是一个边长为1m的方形反射阵 。我们认为这种天线可以用于以太网空通信和类似RainCube的分辨率更高的轨道器 。对于CubeSat和其他小型卫星来说，这是一个令人兴奋的时刻，未来将取得更多进展 。美国宇航局计划替换航天飞机的第一次飞行——“探索任务1号”，它将携带13颗立方体卫星 。一些立方体卫星将访问月球，另一些将深飞空，但所有这些微型航天器都有一个共同的特点:可以支持大型科学研究的小型天线 。


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