安裝傘狀天線，立方星也能遨遊火星

新的天線將把立方星帶到火星甚至更遠的外太空

通過將大型天線安裝在小型衛星內，JPL工程師正在使空間科學試驗變得越來越便宜

這篇文章刊載在2018年2月的印刷雜誌上

文章原標題《A Mighty Antenna From a Tiny CubeSat Grows.》

關於作者

Nacer E. Chahat 是加利福尼亞州帕薩迪納噴氣推進實驗室的高級工程師。

BG5WKP朱軼 編譯

2014年11月的一個早晨，美國加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室（JPL）的同事Kamal Oudrhiri揣著一個有趣的項目衝進了我的辦公室，這個項目是參與第一顆飛向火星的立方體衛星的設計工作。這顆衛星將與美國國家航空航天局的「火星著陸器」一起飛行，並將在著陸器的關鍵入口、下降和著陸期間實時地將數據傳回地球。「必須達到每秒8千比特，而且我們的能力有限。唯一的希望是設計一個大天線，「Oudrhiri解釋說。「哦，衛星本身只有公文包的大小。」

繪製：John MacNeill

沒有什麼像火星衛星那樣矮小，它們屬於一個叫做「立方星」（CubeSats）的類別，比低地球軌道衛星走得更遠。天線在衛星發射期間將被收起，僅佔據約830立方厘米。此後入軌不久，它將展開到衛星本身的三倍大小。它必須經歷1.6億公里的飛行才能到達紅色星球，包括發射的強烈振動和太空的輻射和極端溫度。那有多難？

幸運的是，我和同事們都喜歡挑戰，有機會將CubeSat技術推向極限是我們一直追求的。這些小型航天器已經成為研究人員和創業者進行地球成像和監測的首選。與傳統衛星相比，它們相對便宜，體積小，重量只有幾公斤，可以在幾個月內準備好發射，而不需要準備一個標準的航天器。隨著時間的推移，CubeSats可以攜帶的車載感測器和處理器已經成為摩爾定律在電子領域的先進技術的受益者，它們變得更加強大和精密，重量更輕，更節能。

RainCube的雨傘：小型RainCube衛星的雷達天線摺疊成一個10×10×15厘米的濾毒罐。 展開後，其30根肋條延伸如傘，形成一個小的拋物面，足以在熱真空室中進行測試。照片：JPL / NASA

但是CubeSat的小尺寸在通信方面可能是一個巨大的任務。特別是要配備足夠大的天線以滿足高數據速率或高解析度雷達的要求，因此，這些小衛星一直限於地球軌道，無法將科學前沿推進到我們自己星球的周圍。如果我們能夠想出一個方法來裝備一個強大的高增益天線的CubeSat，那麼將開闢巨大的研究和探索新空間的機會。地球軌道立方體衛星終於可以開始做基於雷達的科學實驗，如測量風和降水。而高數據率的天線使得CubeSats可以冒險出去探索太陽系。

在經過幾年的努力之後，JPL的天線團隊終於以兩種不同的方式解決了這個問題。在一個被稱為立方體雷達的項目中，我們設計了一個可展開的天線，一旦衛星到達軌道，它就會像傘一樣打開。在另一個名為Mars Cube One（MarCO）的項目中，我們將在5月份發射一個從CubeSat表面展開的平面天線。我們的成功使得美國宇航局開始考慮這些微小的平台，這些平台曾經被認為只有一個大型的傳統衛星才有可能實現。我們的天線技術也獲得了多家商業空間公司的專利和授權。

立方星不是唯一的小衛星，但是它們是最適應性最強的，受到了最廣泛關注。立方星基本就是一個10厘米的立方體，最多只有一公斤重。一個單位」的立方體可以根據需要連接在一起，常見的變化是從3、6或12立方體組合衛星。

斯坦福大學和加利福尼亞理工州立大學的工程師最初在1999年開發了CubeSats，作為向學生介紹設計、製造、發射和操作衛星的實踐過程的一種方式。此後，CubeSat子系統的種類繁多，已經成為專門任務的多功能工具。

最重要的是，這些立方星可以很快組裝。在JPL，我們從設計交付到裝配和測試設施用10到12個月就完成了，而不需要花費三年或更長的時間。

當然，一個重達數千公斤的傳統衛星可以攜帶更多的儀器，而不是一個微小的CubeSat罐頭。但對於具有特定目標的任務來說，CubeSats可能是一個便宜而有吸引力的選擇。更重要的是，發射CubeSats立方星將提升飛船的時間解析度，使他們能夠比大型航天器更頻繁地遙感同一地區。在我們的新天線的幫助下，RainCube和MarCO的任務不僅可行，而且非常明智。

天線工程師：開發RainCube天線的噴氣推進實驗室團隊包括Jonathan Sauder（襯衫）和Nacer E. Chahat。照片：JPL / NASA

顧名思義，RainCube就是用來觀看天氣的。它的雷達將幫助美國航天局研究降水，改善天氣預報模式。美國宇航局的科學家計劃發射這樣的衛星以獲得比單個大衛星提供的更好的時間解析度。

這種小巧的雷達飛行器只有穀物盒的大小（CubeSat說法中的「6U」）。電源系統，計算機，控制系統以及其他一切必須裝入那個盒子里。就像任何一盒麥片一樣，它需要有安放雷達設備的空間。通過一些巧妙的工程，RainCube的主要研究人員Eva Peral設法簡化了雷達儀器並將其縮小了一個數量級。儘管如此，到了其他所有東西都被擠進去的時候，雷達和天線只留下了四分之一的空間。

衛星將通過拋物面天線發送和接收雷達信號。主盤將信號反射到一個稱為副反射器的裝置上，該副反射器將把它們引導到「feedhorn」，並從那裡進入衛星的雷達電路。在450-500公里的高空，RainCube的雷達將探測飛過的雲層，因此需要半米寬的天線才能達到10公里寬的雷達覆蓋範圍。然而，在發射之前，天線需要摺疊成10×10×10cm的罐。雷達工作頻率為35.75千赫，意味著反射鏡必須精確配置，使其形狀偏離完美不超過200微米。

顯然，我們有一些艱難的設計挑戰需要克服。經過一番激烈的頭腦風暴之後，由Jonathan Sauder，Mark Thomson，Richard Hodges，Yahya Rahmat-Samii和我組成的RainCube天線團隊確定了一個有點像雨傘的天線方案。考慮到可用的空間容量，這種方法是最簡單的解決方案。

當一把雨傘打開時，傘骨向外延伸並拉伸織物直至繃緊。 RainCube的天線的工作方式也是一樣的：在部署過程中，一系列的傘骨將天線拉成正確的形狀來發送和接收信號。

這種形狀的精度和精確度取決於傘骨的數量。如果我們只用三根傘骨，絕對的最小值，就會創造一個三面金字塔，而無數的傘骨理論上會創造一個完全準確的拋物面。但增加更多的傘骨也增加了部署過程中發生錯誤的可能性。

我們最終確定30根是RainCube的最佳傘骨數量。這足以提供足夠精確的表面，同時保持部署失敗的風險小得可以接受。為了進一步提高雷達天線系統的整體精度，工程師們設計了副反射器，以考慮30根傘骨天線的形狀（包括與理想值的微小偏差），並正確聚焦雷達。副反射器的這種調諧將天線的效率提高了6％，這相當於雷達信噪比提高了12％。

這不僅是天線的形狀必須重新思考。在可展開結構中，同軸電纜是從喇叭天線到衛星主體的射頻信號的常見選擇。但是在RainCube使用的Ka波段頻率下，電纜會失去太多的信號。所以JPL的工程師們設計了一個由信號傳播的中空金屬管構成的波導饋電，當天線的其餘部分沿著它滑動並展開時，信號將繼續傳播。

RainCube的雨傘設計很巧妙，但對於任何機電系統而言，空間是一個充滿挑戰的環境。天線在發射過程中將承受劇烈的振動，以及軌道上的巨大溫度變化，對於內部組件，因為CubeSat移入和移出地球表面，通常為溫度範圍在-20°C至85°C之間。在那裡，甚至一個小部件的故障都可以導致整個任務失敗，這點，美國宇航局的工程師們都很清楚。

RainCube的天線與伽利略探測器上的18傘骨的高增益天線有明顯的相似之處，但是再1991年並沒有部署。我們在這裡有一個優勢。與伽利略的4.8米寬的天線不同，RainCube的小巧，可以在真空室內進行測試，所以我們能夠在各種條件下進行模擬試驗。事實上，在第一次振動測試之後，其中一根肋骨沒有展開，團隊在單一的彈簧中發現了一個設計缺陷。在我們重新設計這部分後，天線通過了所有的測試。現在已經準備好發射了，這可能會在今年五月份開始。這次任務的使命將是一個分水嶺事件，為整個科學實驗星座攜帶科學實驗進入地球軌道開闢了道路。

來自火星的信息：雙胞胎MarCO CubeSats [底部]將於今年五月向火星發射，他們將把數據從InSight著陸器發回到1.6億公里外的地球。 衛星使用稱為反射陣列的平面天線，其表面被模仿成拋物面天線，將信號集中到地球。 Marco天線團隊[左上]包括Richard Hodges，Joseph Vacchione，Phillip Walkemeyer，Savannah Velasco，Vinh Bach和Emmanuel Decrossas。照片：JPL / NASA

很難想像像CubeSat那樣微小和複雜的東西能倖存於行星際空間的空隙中。不過，我們預計今年將有兩台公文包大小的CubeSats誕生。雙胞胎火星立方體（MarCO）立方星將首先進入太空，並在5月份發射時與美國國家航空航天局的InSight著陸器一起飛行。這些CubeSats在十一月到達紅色星球火星，將幫助登陸器和NASA在地球上的深空網路進行實時通信。他們將與自2006年以來一直圍繞這個星球運行的火星偵察軌道器（MRO）一起工作。

MarCO立方體衛星被設計用來從InSight的入口，下降和著陸中使用可展開的UHF環形天線接收數據。然後，每顆衛星的軟體定義無線電將以更高的X波段頻率重新傳輸數據，將行星際空間的1.6億公里行程的信號返回地球。其中一個70米深的太空網路天線將接收數據。鑒於CubeSat無線電的射頻輸出功率有限，微型衛星的天線需要33.5×60厘米的孔徑以建立每秒8千比特的可靠無線電鏈路。

理想情況下，MarCO CubeSats會有像RainCube那樣的拋物面天線，但是這裡沒有足夠空間。這個小組只有飛船有效載荷量的4％，而我們的解決方案不得不少於一公斤。就好像這還不夠令人生畏，我們只能使用CubeSat的一面。 MarCO緊湊的時間表 - 從天線開發到飛船整合的九個月 - 意味著我們沒有時間去設計定製零件。所以我們需要一個簡單的設計，儘可能依靠現成的零件。

我們製造了一個稱為反射陣列的平面天線，它由三部分組成，從航天器側面翻出，並在彈簧鉸鏈的作用下打開。當面板從飛船的主體上翻轉時，天線喇叭口也會彈出，在現成的連接器周圍旋轉。我們在天線的平面上加上了一個反射圖案，以便模仿拋物面天線並將信號集中在地球的方向上。

當MarCO發射時，他們可能將第一反射陣列帶入太空深處。如果任務成功，我們可以看到更多的這樣的CubeSats履行類似的角色。例如，現在，來自火星探測器和著陸器的數據通過更大的航天器（例如MRO）傳回地球。未來的CubeSats可以繞著火星進入軌道，並以更低的成本幫助中繼數據。

RainCube和MarCO將使用的天線可能比他們特定任務中所要求的要多得多。事實上，我們的團隊已經在基於相同原理的大型可部署天線上工作。接下來是一米反射陣列（OMERA）天線，這是一個1米長的方形反射陣列。我們相信這樣的天線可以用於深空通信以及更高解析度的類似RainCube的軌道器。

對於CubeSats和其他小型衛星來說，這是一個令人興奮的時代，還有更多的未來。 「探索任務1」是美國宇航局替代太空梭的第一個計劃航班，將承擔13個CubeSat立方星任務。有的會去月球，有的會去太空其他地方，但是所有這些小宇宙飛船都有一個共同點：它們都擁有能夠支持大科學的小天線。

source:https://spectrum.ieee.org/aerospace/satellites/new-antennas-will-take-cubesats-to-mars-and-beyond

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