唐子行，陈锡炼，何雨竹，余 翔

（重庆邮电大学，重庆 400065）

1 CubeSat简介

CubeSat是目前甚小型卫星技术的主流技术之一，以低轨道卫星为主，相较于传统卫星，CubeSat具有体积小，研发周期短，成本低等优点，广泛应用于低轨道的空间探测任务以及技术验证[1]。

CubeSat是在1999年由斯坦福大学提出的一种新概念的皮卫星规范，尺寸为10cm×10cm×10cm，质量约为1.33kg的1U立方体纳卫星。根据任务的需要，可将立方体卫星扩展为二单元，三单元，甚至六单元[2]。CubeSat以工业级器件为主研制，通用的工业器件能够满足部分应用型航天器的需求，为CubeSat短周期、低成本的研发提供了可行的方案[3]。

由于CubeSat研发周期短、费用低、发射方式灵活等特点，CubeSat符合空间应用发展的趋势，易于组网。一般可多星搭载发射，易于组成卫星星座，可用于完成分布式卫星协同工作，如通信卫星星座、遥感卫星星座等[3]。典型项目QB50计划采用50颗2U CubeSat组成空间网络，用于对低层大气实现多点在轨测量，同时在星座中开展卫星再入大气层过程的一些相关研究[4]。

CubeSat系统主要是由通信系统，结构热控系统，星务系统，姿态控制系统，电源系统等子系统组成。通信子系统是CubeSat最重要的系统之一，确保卫星与地面之间可以建立可靠有效的连接，实现指令、数据的传输，17%的卫星项目失败是由于通信系统出现问题而造成的[5]。

2 CubeSat通信系统

CubeSat通信子系统作为CubeSat系统中最为重要的系统之一，承担着建立星地连接，实现可靠传输的责任。由于CubeSat本身体积限制，电池容量有限，星上通信系统的发射功率一般均不超过2W，如ISIS为CubeSat设计的UHF/VHF收发机发射功率仅达0.2W[6]。

CubeSat通信系统大多工作在VHF/UHF业余频段，数据率为1.2kbps与9.6kbps。部分CubeSat会搭载S或X波段的通信系统，可进行高速传输遥测数据。CubeSat除任务数据传输外，还会定时发射信标信息，多数CubeSat采用星上已有的通信系统直接传输，少部分开发者会制定单独的一套通信系统。

由于卫星通信的特殊性，在追求一定有效性的同时，还需要保证卫星在轨通信的可靠性，另外还应该考虑CubeSat的低功耗限制。在VHF/UHF频段，开发者通常采用BPSK、AFSK以及GMSK调制方式，在S或X频段多采用跳频方式[1]。通过MATLAB仿真可以看出，在相同信噪比的情况下，BPSK调制可以实现更低的误码率传输，更加适合于发射功率有限，对信道要求高的星地下行链路。而上行通信多采用AFSK调制方式，适合于不受发射功率限制的地面站。由于考虑到我国的空间发射环境以及系统成本，在满足通信需求的前提下多采用V/U收发模式，即上行链路工作在VHF频段，下行链路工作在UHF频段。星上一般采用全向天线进行星地通信，以降低对姿态控制的要求，而地面站通常会采用方向性较好的天线，如八木天线。另外，星间通信采用S波段，高增益天线居多，以实现星间数据的快速传输。

图1 误码率比较

对于CubeSat开发者来说，收发信机解决方案可分为三种[7]，第一种是直接采用用于航天器的商业器件（COTS），开发难度低，通信质量可靠，价格高。第二种是使用其他商用通信模块，需要修改结构，增加防护罩，甚至联系制造厂家，成本相对较低。最后一种则是自主设计研发，难度系数高，可以更好适应个体需求，如南理工自主研发的低功耗高灵敏度收发机，接收机灵敏度可达-106.6dBm，接收状态下系统功耗仅为0.22W[8]。经相关调研了解到，多数开发者均采用了AX.25协议，该协议包含物理层、数据链路层结构，适用于较简单的单星通信，而多星通信需采用更加复杂，且包含网络路由的通信协议。

随着数字技术的发展，星载通信模块逐渐向着数字化发展，SDR利用数字信号处理（DSP）技术，实现尽可能地用软件定义和实现无线通信的功能，如：上下变频、调制解调、编解码、加解密、多址等[9]。但由于多数功能都由软件实现，易受到太空单粒子效应影响，因此SDR不如传统硬件收发机稳定性高，提高单板的抗粒子效应能力也将是未来的一个研究方向。

3 通信子系统框架

在CubeSat项目开发中，通常采用如图2的通信子系统框架[10]。MCU （Micro Controller Unit）作为通信子系统的控制单元，具备与星上其他子系统通信、编解码、控制收发模式、控制发射功率等功能。另外，收发机接收到遥控指令后，先交由MCU处理后，再由MCU控制系统做出响应。

收发机模块由低噪放、高功放、编解码器以及HF开关构成，当位于接收状态时，信号从天线接收后经过低功率放大器，再由收发机提取出有用信号后交由MCU处理，发射状态下信号处理过程与接收状态相反，且信号通过高功率放大器。

通信系统的上下行链路，以及信标信号以半双工的通信模式共同使用一条数据链路，由MCU负责控制切换HF开关，选择射频信号通道，该通信方式具有尺寸小、功耗低、系统复杂度低的优点。稍复杂的通信子系统可能会采用单独的信标板传输信标信号，且上下行链路使用不同的频率，但同时这也会对尺寸、功耗等提出更高要求。

图2 通信子系统框图

CubeSat通信子系统与其他子系统采用I2C总线连接，是CubeSat上最主要的通信总线，收发机与MCU采用SPI总线连接，用于配置收发机以及数据交换。

图3 MCU框图

4 未来研究方向

4.1 组网

随着CubeSat研究不断地进展，虽然CubeSats已经成为一个可行的太空平台，但依然存在卫星与地面站无法持续通信的问题。科学载荷的不断变化使得CubeSat的星上存储功能难以满足巨大数据量的存储需求，因此考虑采用组网方式间接传输信息。相较于建立成本过高的地面站网络，CubeSat组网具有研发周期短、费用低、传输速率高等特点，可以提供更有效、更低成本的通信网络[11]。据相应研究表明，CubeSat星群对通信设施薄弱的极地地区也可以实现较好的覆盖表现[12]。

4.2 星上天线

在通信系统中天线设计是非常重要的一个环节，根据第二部分的叙述，星上天线多采用工作于VHF/UHF的单极天线天线与偶极天线，以较低的数据率换取通信的可靠性。因此为了提高星间通信速率，设计一个高增益的定向天线是具有一定应用价值的。如印度的星上贴片天线，采用紧凑的天线阵列结构，工作于2.46GHz，可提供9.6dB的增益[5]。