一种立方星释放状态双冗余自主监测系统及方法与流程

本发明涉及航天器释放，具体为一种立方星释放状态双冗余自主监测系统及方法。

背景技术：

1、随着微纳卫星技术的蓬勃发展，立方星作为一种标准化的微小卫星平台，已广泛应用于技术验证、科学探测与商业服务。立方星通常通过标准化的释放机构（以下简称“释放器”）从运载火箭、空间站等平台上批量弹射入轨，

2、目前，主流的立方星释放机构普遍采用“弹簧推杆”式的机械方案，其设计核心在于可靠地解锁并将卫星弹射出腔体。然而，现有技术存在一个长期被忽视且可能引发连锁故障的重大缺陷，即：释放动作的“开环执行”与释放结果的“状态不可知”。具体而言，现有释放器仅能接收“释放”指令并执行机械动作，但完全无法直接、实时地感知“卫星是否已物理离位”这一最终结果。地面控制中心仅能通过遥测数据（如解锁指令确认）间接推断，或被动等待立方星入轨后发出的无线电信号来反推释放成功与否。

3、现有技术中，部分方案尝试采用行程开关作为分离感知手段。然而，行程开关存在以下固有缺陷：其一，行程开关属于机械接触式元件，存在触点卡滞、磨损、线缆断裂等物理失效风险；其二，现有的行程开关仅能提供二进制（0/1）跳变信号，只能确认卫星是否脱离弹射部件，无法感知卫星在弹射过程中的中间状态，如卡滞于腔体中部的情况；其三，行程开关的安装需要与卫星机械接口接触，存在对标准化立方星产生非预期干涉的风险，而没有对应风险的应对处理方法，同时现有技术中，申请号为202511876593.2的发明专利公开了一种子星在轨释放及成像观测方法及相关设备，用主星携带观测相机成像的方式确认子星释放状态，但本质为事后观测方案，不仅需要占用主星额外载荷资源，也无法在释放瞬间完成状态判断，不能为即时任务决策提供依据。因此，迫切需要一种能够融合多种物理原理、实现冗余互补，且在不改变立方星标准设计的前提下，为释放机构赋予对释放结果进行自主、直接、实时监测能力的解决方案。

技术实现思路

1、（一）解决的技术问题

2、针对现有技术的不足，本发明提供了一种立方星释放状态双冗余自主监测系统及方法，通过基于天线近场阻抗监测的非接触式感知与基于行程开关的接触式物理触发进行深度融合，形成双物理原理、双独立通道的冗余监测架构，借用现有的短报文通信天线，解决了单行程开关存在物理失效风险以及无法感知卫星在弹射过程中的中间状态的问题。

3、（二）技术方案

4、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种立方星释放状态双冗余自主监测系统，包括：立方星释放单元、短报文通信天线、短报文通信模块、阻抗监测单元、两个或以上行程开关、信号采集与处理单元、数据上报单元；

5、所述立方星释放单元，具有用于容纳立方星的腔体以及用于将立方星弹射出腔体的弹射执行机构；

6、所述短报文通信天线，安装于所述立方星释放单元上，其近场辐射区域覆盖所述腔体内立方星所在空间；

7、所述短报文通信模块，与所述短报文通信天线电连接，用于与外部通信系统进行数据交互；

8、所述阻抗监测单元，与所述短报文通信天线电连接，用于发射探测信号并测量所述短报文通信天线的输入阻抗或反射系数；

9、所述两个或以上行程开关，安装于所述立方星释放单元与立方星的接触面处，其触点状态随立方星的存在与否而改变，形成机械触点感知；

10、所述信号采集与处理单元，分别与所述阻抗监测单元和所述行程开关电连接，用于采集阻抗监测数据和行程开关状态，并进行融合判断；

11、所述数据上报单元，与所述信号采集与处理单元及所述短报文通信模块连接，用于将融合判断结果通过所述短报文通信模块发送至地面控制中心。

12、优选地，所述立方星释放单元的本体，采用标准立方星尺寸进行释放器结构设计，具有容纳立方星的矩形腔体，腔体内部有四条导轨，立方星与导轨接触安装，腔体底部设置有压缩弹簧作为弹射执行机构，机构本体上方盖板安装有释放器控制盒，侧方有连接器接插件，可对释放状态监测系统的电气接口进行转接，所有监测数据与控制指令均通过该接插件传输。

13、优选地，所述短报文通信天线，采用微带贴片天线形式，安装于立方星释放单元的顶部盖板内表面，天线辐射面朝向腔体内部，其近场辐射范围覆盖整个腔体空间；天线工作频率为北斗短报文频率，可复用为释放状态监测的感知天线，无需额外增设专用监测天线，不占用额外的整星安装空间。

14、优选地，所述短报文通信模块，采用航天级北斗短报文通信模组，集成有基带处理器、射频收发器和功率放大器；该模块安装于立方星释放单元的侧壁电路盒内，与所述短报文通信天线电连接，用于在释放完成后与外部通信系统进行数据交互，同时可配合阻抗监测单元完成探测信号的收发。

15、优选地，所述阻抗监测单元，集成于所述短报文通信模块内或独立设置，与所述短报文通信天线电连接，用于发射探测信号并测量所述短报文通信天线的输入阻抗或反射系数，当立方星位于腔体内时，立方星本体的金属结构会改变天线周围的介质分布，进而引起天线输入阻抗发生偏移；当立方星被弹射离开腔体后，天线周围介质恢复为自由空间，输入阻抗会发生可观测的显著变化，通过捕捉这一阻抗变化即可判断立方星是否已经离腔，形成电磁场近场感知。

16、优选地，所述两个或以上行程开关，安装于所述立方星释放单元与立方星的接触面处，其触点状态随立方星的存在与否而改变，当立方星位于腔体内部时，立方星本体压紧行程开关触点，使触点处于第一状态，当立方星被弹射离开腔体后，触点弹起，状态切换为第二状态；每个行程开关独立输出信号，互不干扰，任意单个行程开关失效不影响其他行程开关的状态输出。

17、优选地，所述信号采集与处理单元，分别与所述阻抗监测单元和所述行程开关电连接，用于采集阻抗监测数据和行程开关状态，并进行融合判断。

18、优选地，所述数据上报单元，与所述信号采集与处理单元及所述短报文通信模块连接，用于将融合判断结果通过所述短报文通信模块发送至地面控制中心。

19、优选的，所述阻抗监测单元，集成于短报文通信模块内部或独立设置，主要包括：连接于射频功放输出端与天线馈点之间，用于耦合反射信号的定向耦合器；与定向耦合器电性连接连接，用于测量前向功率pf和反射功率pr的功率检测器；以及将功率检测结果转换为数字信号的模数转换器，当立方星处于腔体内时，介质负载会改变天线近场的分布，进而改变天线的输入阻抗与反射系数，当立方星被弹射出腔体后，天线的负载环境恢复，输入阻抗与反射系数会发生可测量的明显变化，以此实现非接触式的立方星存在状态感知。

20、优选的，所述短报文通信模块安装于立方星释放单元本体的侧壁电路盒内，所述短报文通信模块集成有基带处理器、射频收发器和功率放大器，可实现北斗短报文信号的接收与发射，在释放任务完成后，将监测结果通过短报文通信链路发送至地面控制中心，无需额外搭建专用通信通道，降低了系统的复杂度和资源占用率。

21、立方星释放状态双冗余自主监测系统的监测方法包括：

22、步骤s1：基准标定

23、在立方星装载于释放机构腔体内且未执行释放指令前，所述阻抗监测单元发射探测信号，测量短报文通信天线的第一输入阻抗z1并存储于信号采集与处理单元；同时记录行程开关的第一状态s1。

24、步骤s2：释放指令执行

25、弹射执行机构接收释放指令并执行弹射动作。

26、步骤s3：实时监测

27、在释放指令执行后的预设时间窗口内，执行以下并行监测：

28、所述阻抗监测单元持续或间歇性地测量短报文通信天线的第二输入阻抗z2；

29、所述信号采集与处理单元监测行程开关的状态变化，获取第二状态s2；

30、步骤s4：状态判断

31、所述信号采集与处理单元根据正常释放、行程开关故障、阻抗监测误报、释放失败的四种工况逻辑进行融合判断；

32、步骤s5：结果上报

33、所述数据上报单元将融合判断结果通过短报文通信模块发送至地面控制中心，并可选地包含阻抗监测原始数据和行程开关状态数据；

34、融合判断过程如下表所示：

35、

36、该表为本发明核心判断逻辑的直观体现，四种不同工况均对应明确的判断输出，实现了两种监测方式的冗余互补，在单一监测通道故障时仍可输出有效结果，大幅提升了监测系统的可靠性。

37、（三）有益效果

38、本发明提供了一种立方星释放状态双冗余自主监测系统及方法。本发明具备以下有益效果：

39、1、本发明设置有阻抗监测和行程开关，形成基于电磁场近场感知与机械触点感知，并通过融合电磁场近场感知与机械触点感知两种完全不同的物理原理的监测手段，并使这两种监测手段独立工作，互为备份，使单一通道的失效不影响整体判断的可靠性，从根本上克服了单一技术方案的系统性风险；同时，融合判断两种监测手段数据的逻辑算法能够明确区分四种工况：正常释放、行程开关故障、阻抗监测误报、释放失败，为在轨故障诊断与事后归零提供不可替代的一手数据，提升设备运行安全性与实用性。

40、2、本发明通过阻抗监测的非接触特性弥补了行程开关机械卡滞、磨损的风险的同时，阻抗监测还可感知连续状态，能够发现卫星“卡滞于腔体中部”等行程开关无法感知的故障模式，二者可进行优势互补；而行程开关的成熟稳定性也可以在弥补阻抗监测在极端环境下可能存在的漂移风险的同时，通过行程开关提供的二进制硬信号作为阻抗监测阈值校准的参考基准，利用行程开关的硬信号作为参考，系统可在每次释放任务前自动校准阻抗监测阈值，适应不同卫星壳体材料、温度变化等环境因素，从而能够克服各自缺陷。

41、3、本发明的所有感知功能模块均设置在释放单元的结构上，可感知功能由释放机构独立完成，监测在释放毫秒至秒级的时间段内瞬间完成，能为卫星部署任务提供即时的“停止/继续”决策依据；同时，阻抗监测单元则可复用短报文通信天线及部分射频前端，阻抗监测完全非接触，仅增加少量检测电路；而行程开关为成熟低成本元件，仅与立方星释放单元接触，完全非侵入，不干涉立方星结构，只以极低的额外成本实现双冗余的“状态可见性”功能，性价比极高，无需对标准化立方星进行任何硬件或软件更改，完美保持了标准化立方星的完整性和通用性。