[发明专利]一种用于电离层探测的微纳卫星

说明书

一种用于电离层探测的微纳卫星，它是由外球壳、天线罩、天线、模块化部件即CubeSat组成；外球壳和天线罩连接构成整星的球状外壳；天线固定在外球壳上，由天线罩包络在其外部；该CubeSat由外球壳上的支撑杆固定在整星内部的中心位置；本发明是模块化和定制化部件的组合，便于生产加工，具有成本低、结构简单、通用性强、生产周期短的优点；它既能探测电离层，又能探测大气空气密度，实用性强；它采用两个全向天线对称分布，保证卫星无论处于何种姿态都能够收发信号，降低了对于姿态控制系统的要求。

技术领域

本发明提供一种用于电离层探测的微纳卫星，它涉及利用微纳卫星对电离层和能够结构进行探测的需求，属于卫星结构设计领域。

背景技术

电离层是日—地系统的重要组成，不仅保护了地球上的生物免受太阳紫外辐射和宇宙高能粒子的直接作用，而且对穿电离层传播的无线电波产生反射、散射。吸收和折射等效应。电离层与日地系统的其他区域，包括太阳、行星际介质，磁层，热层和中层之间存在着强烈的耦合相互作用。由于太阳活动引起的地球空间环境扰动和各种等离子体不稳定性过程，电离层中存在不同尺度的不规则结构并常处于扰动状态之下，对短波通讯、卫星通讯和全球定位系统的导航定位精度等产生严重影响。积极监测与研究电离层中的各种现象，从而揭示现象背后的物理机制，探索电离层对人类生存环境的影响，是空间天气研究的重要内容之一，对社会经济的发展十分重要。

电离层探测是研究电离层的重要手段，其探测的理论依据是电离层等离子体影响穿过电离层的无线电波，从而产生各种现象，包括交叉调制、多普勒频移、法拉第旋转等现象。电离层探测的主要目的是获取电离层的物理量，比如电离层电子密度、离子密度和温度等，以此研究各个物理量的时空分布特征和变化规律。

传统电离层探测手段包括测高仪、高频多普勒接收机、信标闪烁接收机以及大功率散射雷达等，这些方法存在探测区域有限、设备庞大结构复杂以及维持运转耗资甚巨等缺点。GPS的出现不仅对导航技术的发展产生了深远的意义，还给电离层研究带来了飞跃式发展。地基GPS电离层探测是在地面设置GPS接收机，接收GPS卫星传播的载波信号，再从信号中提取与电离层有关的信息。现有的传统和地基GPS电离层观测受空间区域的限制，地面观测站受地理环境的约束难以在海洋和沙漠上等区域布设台站；卫星原位测量受制于卫星运行轨道的限制，不能观测到完整的电离层区域，对此，无线电掩星技术提供全天、全球分布的电离层观测资料，并且垂直分辨率高，能够探测到轨道以下部分的电离层信息，具有其他探测手段所不具备的优势。

GPS无线电掩星探测地球大气技术最初是由斯坦福大学和JPL的科学家共同提出和发展的。1993年由UCAR(University Corporation for Atmosphere Research)、Arizona大学以及JPL联合建立了GPS/MET实验计划，利用无线电掩星技术探测地球的中性大气和电离层。GPS掩星以后的主要发展方向体现在SAC-C和CHAMP两个计划之上。SAC-C计划是一颗阿根廷和美国联合发射的载有磁力仪和多谱成像仪的卫星；CHAMP计划是一颗德国发射的用于重力和磁力成像的卫星。这两个较大的飞行器都首次携带了JPL设计的新一代掩星GPS信号接收计。SAC-C首次携带了前、后两个沿飞行速度方向的天线，因此能够观测到上升和下降事件的掩星数据。它们还携带了向下方向的天线，用于恢复从海洋表面反射的GPS信号。在卫星发射后，所有的飞行器载软件都可以从控制中心得到升级和重载。

以上所述的电离层探测方案都是采用了传统的卫星进行探测，传统卫星质量重、功耗大、成本高、结构复杂、工期长。相比于传统卫星，维纳卫星，尤其是CubeSat具有结构简单、成本低廉、易于组装成形、制造周期短的优点，可以利用多颗进行探测，发挥星座探测的优点。但是，对于大气密度的探测中，CubaSat由于自身为立方体结构，不能保证在轨运行中受到均匀的空气阻力。

综上，为了充分发挥CubeSat的优点，同时又结合电离层任务探测的特点，本发明提出了一种用于电离层探测的微纳卫星。

发明内容