首尔国立大学全球导航卫星系统实验室卫星（SNUGLITE）是一颗尺寸为10×10×23厘米的双单元立方体卫星（CubeSat），需要一套系统用于飞行任务和地面站电信。 利用低成本的传感器为CubeSat平台开发了一个基于线性-二次高斯的最佳姿态系统，姿态系统的在轨验证是主要研究目标之一。SNUGLITE CubeSat自发射以来，不断播报在轨状态信息。本研究提出了一种利用接收数据分析在轨姿态估计结果的方法，并通过比较两个太阳指向矢量来实现，即利用估计姿态与太阳和卫星的位置计算出的太阳指向矢量和由太阳能电池板的功率水平产生的参考矢量。由于姿态分析需要卫星位置，因此还简要介绍了自行研制的机载全球定位系统接收器的性能验证情况。  分析表明，SNUGLITE CubeSat的姿态估计已经达到了在轨实时指向精度，均方根为6.1°。

 相关论文以题为“     In-Orbit Results and Attitude Analysis of the SNUGLITE Cube-Satellite    ”发表在《     Applied Sciences    》上。

 研究背景

 科研人员已经为设计微卫星和纳米卫星制定了立方体卫星（CubeSat）标准，其目标是降低成本和开发时间，增加进入空间的机会，并保持频繁发射。 CubeSat平台允许学生在太空中构思、设计、实现、测试和操作一个完整的航天器，通常使用商业现成（COTS）的组件用于教育目的，它还允许开发人员以合理的价格在轨道上测试有效载荷和平台。利用CubeSats为科学、私人和政府目的执行了各种任务和项目，发射和运营的数量也在不断上升。MinXSS-1立方体卫星的科学目标是测量来自太阳的软X射线能量分布。CSTB1的主要任务目标是加速组件和子系统的成熟，以及加速立方体卫星平台的基础设施和运营。射电极光探测器（RAX）任务的主要目标是研究极地下电离层中磁场对准等离子体不规则的形成。ESTCube-1立方体卫星的主要任务是进行首次在轨电太阳风帆实验。目前，工业公司，如Planet Labs Inc. 和Spire，已经开始开放商业服务，包括使用CubeSat星座。Planet Labs Inc.运营着一百多颗CubeSats用于地球成像，Spire的任务是船舶跟踪和天气预报。

 研究人员开发了SNUGLITE（首尔国立大学全球导航卫星系统实验室卫星）立方体卫星，其目的是： (1)监测电离层和地球磁场的扰动，造成地震事件；(2)开发和验证线性二次高能卫星的在轨运行。(3)监测地震事件引起的电离层和地球磁场的扰动，(4)开发和验证基于线性二次高斯(LQG)的姿态系统的在轨运行，以及(5)为立方体卫星平台提供自主开发的双频全球定位系统(GPS)接收器的技术演示。SNUGLITE立方体卫星于2018年12月03日成功发射并在轨落地，一年多来，SNUGLITE地面站和业余地面站在全球范围内都能接收到它的状态数据。接收到的数据包括SNUGLITE的状态信息、估计姿态信息和计算的GPS结果。

 SNUGLITE CubeSat项目

SNUGLITE的外形见图1。该项目在2015年韩国航空航天研究所举办的立方体卫星竞赛中被选中。经过三年的研发，SNUGLITE于2018年12月3日发射。它成功地落在目标轨道上，该轨道为太阳同步轨道，高度为575公里。北美航空防务司令部（NORAD）给出的SNUGLITE指定卫星编号为43784。

 图1.SNUGLITE CubeSat (a) 部署前的 SNUGLITE CubeSat；(b) 部署后的 SNUGLITE CubeSat。

SNUGLITE 是一颗双单元 CubeSat，其规格见表 1。SNUGLITE CubeSat 的科学任务之一是监测地震、火山和海啸等地震事件对电离层和磁场的干扰。SNUGLITE有两个双频GPS接收器。第一台接收机用于卫星定位，其天线安装在图1的-z方向至天顶方向的卫星顶部。第二台GPS天线安装在立方体卫星侧面的+y方向，以便测量从其他GPS卫星到SNUGLITE的路径上的电离层延迟。

 表1. SNUGLITE的规格。SNUGLITE 的规格。

SNUGLITE CubeSat的技术任务之一是验证研究人员与TelAce Inc.（韩国首尔）合作开发的机载L1/L2C GPS接收器的在轨运行情况。(韩国首尔)合作开发。这些接收器如图 2 所示。另一个技术目标是开发一个基于LQG的姿态系统。

 图2.CubeSat的L1/L2C双频全球定位系统（GPS）接收器（2台）。用于CubeSat的L1/L2C双频全球定位系统（GPS）接收器（2台）。

自发射以来，SNUGLITE CubeSat一直以信标方式持续广播其状态数据。亚洲、欧洲、北美洲和南美洲的地面站一直在接收这些信标。SNUGLITE小组的地面设施是在首尔国立大学建造的，使用传统的业余卫星收发器、天线模块和放大器与卫星进行通信。

 GPS接收结果

为了进行姿态估计的性能分析，需要卫星位置来生成参考太阳指向矢量。本节介绍了用于验证在轨SNUGLITE GPS接收机是否正常运行的指示器。

SNUGLITE CubeSat每10秒钟广播一次其当前位置，该值由车载GPS接收器计算得出。假定SNUGLITE CubeSat拥有业余电信频段并使用业余协议，则任何配备了常规业余设备的地面站都可以接收数据。从发射日起到2019年6月底，共收到26,400个有效信标，包括GPS位置，速度和时间。在图4中描述了所有在纬度和经度上接收到的GPS位置。SNUGLITE CubeSat的定位和速度结果基于World Geodetic System-84。

 图4. 通过信标广播GPS位置（蓝色：在SNUGLITE地面站收到；红色：在其他地面站收到）。

已经证实，大韩民国的SNUGLITE地面站以及欧洲，北美和南美，大洋洲和亚洲的业余运营商都从SNUGLITE CubeSat接收到信号。

 结论

 SNUGLITE立方体卫星已成功发射并在轨道上安顿下来，此后它一直在连续播放其信标数据。 遗憾的是，由于CubeSat无法接收来自地面站的指令，它无法收到预期的数据集，而这些数据集不包括在信标数据中。虽然无法获得原始数据的测量结果，但研究人员还是根据现有的数据集进行了分析。特别是，通过评估操作，验证了姿态估计的结果。

 本文介绍了基于LQG的新型姿态系统，采用低成本的传感器和执行器，用于CubeSat平台，重点介绍了在轨实时姿态估计性能，并采用一种新的方法对两个太阳指向矢量进行比较分析。 通过姿态估计计算出的太阳指向矢量与使用星载参数（如CubeSat两侧的发电水平）生成的参考太阳指向矢量进行了比较。计算出的两个太阳指向矢量之间的均方根误差约为15°，但在高发电量情况下，误差减小到6.1°，比较可靠。

当从地面站到卫星的远程指令上行功能恢复后，SNUGLITE将能够下载连续的原始数据，包括传感器数据和姿态系统的控制输入，以及科学任务的GPS接收机的测量数据。这将能够对SNUGLITE CubeSat进行深入的性能分析，包括对姿态控制的分析。