應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想

龍吟 陳淞 齊鑫 王洋 張雅琳

(1 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

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應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想

龍吟1陳淞1齊鑫1王洋1張雅琳2

(1 中國空間技術(shù)研究院載人航天總體部，北京 100094)(2 北京空間機(jī)電研究所，北京 100094)

針對月表晝夜溫差大、月壤結(jié)構(gòu)松散、空間輻射強(qiáng)的特點(diǎn)，提出一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想，實(shí)現(xiàn)對月表環(huán)境的長期無人監(jiān)測。該系統(tǒng)分別由月表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、月球中繼衛(wèi)星、地球中繼衛(wèi)星和地球地面站組成。通過月表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上的太陽能電池設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)工作。通過節(jié)點(diǎn)外形設(shè)計(jì)和采用電簾除塵技術(shù)，可防止節(jié)點(diǎn)被月塵掩埋。節(jié)點(diǎn)采用熱控包覆和主動熱控措施，能適應(yīng)月球高低溫環(huán)境。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，提出一種基于能量均衡的路由技術(shù)。針對月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了月表-月球中繼-地球中繼-地球地面站的通信協(xié)議棧，地月中繼通信技術(shù)能保證月表環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)傳回地面。與微波探測、月球車探測等傳統(tǒng)月表環(huán)境探測技術(shù)相比，文章提出的系統(tǒng)具有能抵近探測、探測對象多、探測范圍廣、探測時(shí)間長、系統(tǒng)可靠性高和成本低的優(yōu)勢。

月表環(huán)境；長期無人監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；節(jié)點(diǎn)；協(xié)議棧

1 引言

月球探測具有重要的戰(zhàn)略意義，目前國際上的主要航天大國和組織都將月球探測作為深空探測的起點(diǎn)，陸續(xù)開展了一系列月球探測活動。探測方式從飛越、環(huán)繞、硬著陸發(fā)展到軟著陸、月面巡視及航天員實(shí)地考察；探測技術(shù)從可見光、紅外發(fā)展到全月微波探測[1-2]。探測內(nèi)容包括月球影像、月表礦物質(zhì)，利用月球車獲取現(xiàn)場影像和月壤采樣分析[3-5]。上述探測手段從一定程度上獲取了月表信息，為人類認(rèn)知月球提供了重要參考，但存在各自的不足。通過可見光、紅外、微波探測月表環(huán)境，無法近距離獲取實(shí)際樣本參數(shù)，觀測結(jié)果誤差較大。通過月球車軟著陸方式登月進(jìn)行月表探測，探測范圍受地形限制，探測參數(shù)回傳難度大，單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)較高。通過航天員實(shí)地考察，適應(yīng)月表環(huán)境難度大，探測時(shí)間和空間均受限，成本和風(fēng)險(xiǎn)都很高。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[6-7]是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新研究領(lǐng)域，它以傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，形成了一種全新的信息獲取和處理技術(shù)。隨機(jī)分布的微小節(jié)點(diǎn)里集成了傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊，通過自組織的方式形成網(wǎng)絡(luò)，借助于內(nèi)置的形式多樣的傳感器測量所在周邊環(huán)境中的物理參數(shù)，從而可探測許多物理現(xiàn)象。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有低成本、體積小、數(shù)據(jù)冗余、結(jié)構(gòu)魯棒的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用場景包括軍事戰(zhàn)場感知、無人區(qū)監(jiān)測、智慧城市、醫(yī)療交通等方面，技術(shù)較為成熟。國內(nèi)外對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于深空探測(包括星球表面探測)的研究不多，NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)研制了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Sensor Webs[8]，用于未來火星探測，并在佛羅里達(dá)航天飛行中心周圍的環(huán)境測試中對其進(jìn)行了測試驗(yàn)證，但是已公布的資料缺少對深空環(huán)境的適應(yīng)性設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[9]中提出了一種月球環(huán)境下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方法，但缺少針對節(jié)點(diǎn)可持續(xù)工作的能量模塊設(shè)計(jì)，無法支持無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在月表長期自主工作；其中僅關(guān)注節(jié)點(diǎn)自身設(shè)計(jì)，缺少對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自身組網(wǎng)設(shè)計(jì)和協(xié)議棧設(shè)計(jì)。

本文提出一種月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想，借助月球著陸器布撒的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對月表環(huán)境長期無人監(jiān)測，通過月球著陸器搜集所有節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)并進(jìn)行融合，最后將融合結(jié)果發(fā)送到中繼衛(wèi)星并傳回地球。

2 月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想

2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用價(jià)值

月球約有60多種豐富的礦藏和新能源，具有潛在的巨大探索價(jià)值。探索月球是開發(fā)月球資源、建立月球基地的第一步。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于月表環(huán)境監(jiān)測，其價(jià)值體現(xiàn)在：①無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地面已經(jīng)廣泛應(yīng)用于惡劣自然環(huán)境的長期無人監(jiān)測，如火山監(jiān)測、海洋探索。通過改進(jìn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，使之適應(yīng)高真空、晝夜溫差大、強(qiáng)輻射的月表環(huán)境，實(shí)現(xiàn)月表探測。②無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過采用低功耗的無線通信方式和路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)壽命的最大化，應(yīng)用壽命通常大于2年。對能源模塊采用可持續(xù)功能設(shè)計(jì)，能進(jìn)一步延長使用壽命，這樣就可以解決監(jiān)測設(shè)備能量有限、實(shí)現(xiàn)長期可持續(xù)監(jiān)測困難等問題。③無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過月球著陸器在月表進(jìn)行大面積布撒，并利用多跳方式自組織形成網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)對月表大范圍區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。④通過在節(jié)點(diǎn)上配置各種類型的傳感器，實(shí)現(xiàn)對月表環(huán)境眾多參數(shù)的同時(shí)監(jiān)測。因此，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是月表長期無人監(jiān)測的有效方案。

2.2 系統(tǒng)構(gòu)想

本文提出一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想(見圖1)，可實(shí)現(xiàn)對月表環(huán)境的實(shí)時(shí)長期無人監(jiān)測。通過月球著陸器在月表隨機(jī)布撒大量無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(包括普通節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)，分別為圖1中的黃色節(jié)點(diǎn)和綠色節(jié)點(diǎn))，節(jié)點(diǎn)之間通過自組織形成網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)配置的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測月表環(huán)境參數(shù)，將監(jiān)測結(jié)果通過多跳的方式傳遞給月球著陸器(可稱為匯聚節(jié)點(diǎn))。普通節(jié)點(diǎn)用于數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，簇頭節(jié)點(diǎn)僅用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。普通節(jié)點(diǎn)和簇頭節(jié)點(diǎn)配置一樣，簇頭節(jié)點(diǎn)通過動態(tài)選舉，從普通節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)生。當(dāng)節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)規(guī)模較大的傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)，數(shù)據(jù)往往要經(jīng)過多個(gè)簇頭節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)月球著陸器。月球著陸器對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，并將處理后的數(shù)據(jù)通過無線鏈路發(fā)送給月球中繼衛(wèi)星。月球中繼衛(wèi)星將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地球中繼衛(wèi)星，地球中繼衛(wèi)星將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給地球地面站進(jìn)行處理，獲得月表的實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)。同樣，地面通過反向鏈路發(fā)送對月表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的控制信息。月球著陸器的軟硬件資源豐富，數(shù)據(jù)處理能力及通信能力較強(qiáng)，可作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與月球中繼衛(wèi)星之間的網(wǎng)關(guān)。月球中繼衛(wèi)星和地球中繼衛(wèi)星具有測控覆蓋率高，通信鏈路帶寬寬的優(yōu)點(diǎn)，可作為地月通信的手段。月表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用IEEE802.15.4通信協(xié)議，根據(jù)天地一體化設(shè)計(jì)思路，月球著陸器、月球中繼衛(wèi)星、地球中繼衛(wèi)星和地面站之間均采用空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)推薦的基于CCSDS空間鏈路承載IP協(xié)議業(yè)務(wù)(IP over CCSDS)。地面站和地面網(wǎng)絡(luò)之間采用TCP/IP協(xié)議(TCP為傳輸控制協(xié)議)。為實(shí)現(xiàn)月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，要解決3個(gè)難題，包括：①設(shè)計(jì)一種適應(yīng)月表環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；②設(shè)計(jì)一種能量均衡的低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方法；③設(shè)計(jì)一種支持地月深空通信的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。

圖1 月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of lunar surface environment long-term unmanned monitoring system

2.2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

月表環(huán)境具有晝夜溫差大、月壤結(jié)構(gòu)松散、空間輻射強(qiáng)、高真空的特點(diǎn)，要求節(jié)點(diǎn)具有月表環(huán)境的適應(yīng)能力。一般，傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括：①處理器模塊，用來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)融合；②無線通信模塊，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的無線通信；③傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)外界環(huán)境的感知，即數(shù)據(jù)采集；④蓄電池供電的能源模塊。傳統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)工作在地面環(huán)境，適合在常溫常壓下工作，抗輻射性能及耐真空性能低，無抗掩埋能力，無法適應(yīng)月表的特殊工作環(huán)境。為此，對月表無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照模塊化設(shè)計(jì)的思路進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，見圖2。在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將蓄電池供電的能源模塊更改為太陽能電池模塊；新增主動防月塵模塊和被動防月塵模塊，以提升節(jié)點(diǎn)的抗掩埋能力；新增主動熱控模塊和被動熱控模塊，以擴(kuò)大節(jié)點(diǎn)的工作溫度范圍，適應(yīng)月表的高溫差環(huán)境；新增防輻射模塊，以提升節(jié)點(diǎn)的抗輻射能力；新增耐真空模塊，以提升節(jié)點(diǎn)的耐真空性能。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊化Fig.2 Modularization of wireless sensor network node

1)處理器模塊和無線通信模塊

處理器模塊和無線通信模塊的設(shè)計(jì)要求是低功耗、抗輻射、耐高低溫。處理器選用80C32系列宇航級芯片，工作溫度范圍滿足―75～+125 ℃，抗輻射指標(biāo)滿足深空探測需求，已經(jīng)成功應(yīng)用于嫦娥系列等航天器。無線傳輸方式主要包括藍(lán)牙、WiFi、紅外和ZigBee，如表1所示。其中：ZigBee技術(shù)傳輸速率低，能耗、設(shè)計(jì)難度及制造成本均低于藍(lán)牙、WiFi和紅外，適用于低速率、低功耗的工作場合，因此選用ZigBee作為無線通信模塊。

2)傳感器模塊

傳感器模塊可根據(jù)需求進(jìn)行定制，比如溫度傳感器、輻射傳感器、月壤成分分析傳感器、水資源探測傳感器、礦物探測傳感器等。

3)太陽能電池模塊

節(jié)點(diǎn)在地面工作一般采用一次性電池供電，通過更換電池的方式實(shí)現(xiàn)其持續(xù)工作。如果節(jié)點(diǎn)處于月面，就必須設(shè)計(jì)一種新型的無人干預(yù)的供能手段，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的長期無人監(jiān)測。太陽能電池模塊能利用月表豐富的太陽能，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)工作。太陽能電池模塊的設(shè)計(jì)借鑒已有航天器，諸如衛(wèi)星、載人飛船等的電源分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式進(jìn)行縮比化設(shè)計(jì)，由太陽能電池板、多級能量存儲器和能量管理單元3部分組成，見圖3。其中：太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)調(diào)節(jié)電路后存儲在多級能量存儲器中。多級能量存儲器一般設(shè)計(jì)為前后兩級：前級實(shí)現(xiàn)能量存儲、負(fù)載供電以及為后級充電的功能，采用超級電容；后級則可在無光能轉(zhuǎn)換時(shí)作為負(fù)載的后備能源，并在自身消耗以后通過前級補(bǔ)充能量，采用聚合物鋰電池。能量管理單元監(jiān)測多級能量存儲器的狀態(tài)，完成供電電源的選擇和存儲器的充電控制。在保證節(jié)點(diǎn)正常工作的條件下，盡可能多地選擇電容供電，減少電池充放電次數(shù)，并在電池電壓低于設(shè)定值時(shí)，使用電容通過充電電路對其充電。

表1 無線傳輸方式的比較

圖3 太陽能電池模塊Fig.3 Module of solar cell

4)防月塵模塊

月壤是月表在缺乏氧氣、水、風(fēng)和生命活動的環(huán)境下，由流星撞擊、宇宙射線和太陽風(fēng)輻射、大幅度溫度變化等因素共同形成的，廣泛分布于月表，厚度不均(數(shù)厘米至數(shù)米)。月塵是月壤中直徑小于1 mm的小顆粒，中間值為40～130 μm，平均粒徑為70 μm。月塵具有突出的粘附性、研磨性和滲透性，可能造成節(jié)點(diǎn)的掩埋，影響節(jié)點(diǎn)的太陽能發(fā)電及通信功能。防月塵模塊能防止月塵對節(jié)點(diǎn)的傷害，如掩埋節(jié)點(diǎn)造成通信不良，遮蔽太陽電池板導(dǎo)致發(fā)電失敗，月塵遮蔽熱控涂層造成散熱功能異常。防月塵模塊[9]按照工作模式，分為被動防月塵模塊和主動防月塵模塊。

被動防月塵模塊設(shè)計(jì)要考慮2個(gè)方面。①為了防止被埋在月塵里，節(jié)點(diǎn)對月塵的壓強(qiáng)應(yīng)滿足相應(yīng)要求，節(jié)點(diǎn)的質(zhì)量越小越好，但底部的面積應(yīng)足夠大，為此，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)，將節(jié)點(diǎn)封裝在一個(gè)錐形密封結(jié)構(gòu)里。錐形的重心低，并且錐形的大底面積足夠大，能保證錐形的壓強(qiáng)小，不會陷落在月塵里；由于重心低，節(jié)點(diǎn)不會翻倒。另外，密封設(shè)計(jì)隔離了節(jié)點(diǎn)與月塵的接觸。②在太陽電池板外表設(shè)置不粘表面。借鑒荷葉疏水原理，在功能表面上增加小于月塵特征尺寸的紋路，形成納米級的針床，可明顯減小月塵顆粒與功能表面間的接觸面積，減弱其間的附著力，從而抑制月塵的附著。另外，設(shè)置導(dǎo)電鍍膜，即在功能表面鍍一層超薄導(dǎo)電膜(如氧化銦錫膜)并接地，釋放其表面月塵顆粒的電荷，從而減小月塵的靜電附著力。被動防月塵模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量小、無功耗和不需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

主動防月塵模塊采用電簾除塵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太陽電池板的主動清潔。由連接到多相(或單相)交流電源上的平行透明電極組成電簾，通電后形成移動的交變強(qiáng)電場，月塵顆粒在強(qiáng)電場的極化下，被電場力舉起并沿垂直于電極軸線的方向運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)除塵。電簾除塵[10]裝置無需活動部件，除塵效率較高(80%～90%)。

5)防輻射模塊

月表由于缺少大氣層的防護(hù)，主要受到太陽風(fēng)、太陽耀斑和銀河宇宙射線的輻射。太陽輻射是最主要的輻射，它包括向外發(fā)射的電磁波、粒子流(太陽風(fēng)和高能粒子流)、中微子，以及重力波、聲波等多種形式，其波長可測范圍從γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，直到射頻電波段的米波區(qū)。由于微電子產(chǎn)品對空間輻射非常敏感，因此必須考慮空間輻射的防護(hù)問題，提高其可靠性。防輻射模塊采用電磁屏蔽體，使內(nèi)部器件免受外界空間電磁場的影響；對于內(nèi)部敏感設(shè)備進(jìn)行點(diǎn)屏蔽，以抑制內(nèi)部干擾，并提高系統(tǒng)或設(shè)備的電磁兼容性；通過電流監(jiān)測避免單粒子閂鎖；通過電壓監(jiān)測避免單粒子?xùn)牌屏押蛦瘟Ｗ訜龤?；設(shè)計(jì)專門的糾檢錯模塊糾正數(shù)據(jù)存儲器單粒子翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)容錯的目的。

6)耐真空模塊

月表的大氣壓很小，是10-14量級的，屬于超真空，會使節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)受到0.1 MPa的附加內(nèi)壓。耐真空模塊參照航天器的封裝技術(shù)，采用S42空間密封材料，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密封設(shè)計(jì)。S42已成功應(yīng)用于神舟系列載人飛船和天宮一號目標(biāo)飛行器的密封[11]，能滿足承受0.1 MPa的附加內(nèi)壓的要求。

7)熱控模塊

月表由于沒有大氣層熱傳導(dǎo)，晝夜溫差大，溫度范圍約為-153～+126 ℃。極高的溫差，使節(jié)點(diǎn)的處理器模塊、無線通信模塊和太陽能電池模塊面對嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。熱控模塊[9]分為被動熱控模塊和主動熱控模塊，分別用于實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)的被動和主動控溫。被動熱控模塊通過對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行隔熱封裝實(shí)現(xiàn)，包括蒙皮和真空多層隔熱層。蒙皮一般可以采用金屬材料制作，其外表面和內(nèi)表面涂有不同類型的熱控涂層。外蒙皮熱控涂層要求吸收輻射比低，使太陽照射下溫度不至于過高，并且熱輻射率低，從而保證沒有太陽照射時(shí)輻射散熱盡可能小。內(nèi)蒙皮主要起支撐作用，為節(jié)點(diǎn)內(nèi)部提供一個(gè)密封、恒溫恒壓的環(huán)境。真空多層隔熱層同樣起絕熱的作用。主動熱控模塊包括電加熱器和熱管兩部分。電加熱器在月夜工作，利用太陽能電池的能量對節(jié)點(diǎn)加熱，并通過熱管將熱量均勻傳遞到節(jié)點(diǎn)的周圍，保證在月夜期間節(jié)點(diǎn)溫度處于工作范圍內(nèi)。

圖4為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Configuration of wireless sensor network node

2.2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干節(jié)點(diǎn)和月球著陸器(匯聚節(jié)點(diǎn))組成。月球著陸器具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)存儲、處理和通信能力，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和月球中繼衛(wèi)星的網(wǎng)關(guān)。月球著陸器作為協(xié)議轉(zhuǎn)換的通信橋梁，一方面，將基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集的信息，轉(zhuǎn)換為IP over CCSDS格式，發(fā)送到月球中繼衛(wèi)星，再經(jīng)過地球中繼衛(wèi)星回傳到地面網(wǎng)絡(luò)；另一方面，月球著陸器接收地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的IP over CCSDS格式的控制指令信息，并轉(zhuǎn)換為IEEE802.15.4格式的指令信息，發(fā)送給無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

由于節(jié)點(diǎn)的能量有限，盡量降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗，提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期，是必須重點(diǎn)考慮和解決的問題。一方面，節(jié)點(diǎn)在無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采用休眠機(jī)制，以降低節(jié)點(diǎn)的能量消耗；另一方面，由于簇頭節(jié)點(diǎn)的能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通節(jié)點(diǎn)，可采用一種基于能量均衡的分簇多跳路由算法[12]。

2.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧設(shè)計(jì)如圖5所示。普通節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧自頂向下包括應(yīng)用框架層、應(yīng)用支持層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，其中應(yīng)用框架層、應(yīng)用支持層和網(wǎng)絡(luò)層符合ZigBee規(guī)范的定義，數(shù)據(jù)鏈路層和物理層符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。簇頭節(jié)點(diǎn)的協(xié)議棧只包括網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，遵循標(biāo)準(zhǔn)和普通節(jié)點(diǎn)一致。

月球著陸器(即匯聚節(jié)點(diǎn))的協(xié)議層自頂向下包括網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。網(wǎng)絡(luò)層同時(shí)遵循ZigBee規(guī)范和IP協(xié)議，數(shù)據(jù)鏈路層同時(shí)支持IEEE802.15.4和IP over CCSDS規(guī)范，物理層同時(shí)支持IEEE802.15.4和天地射頻鏈路規(guī)范。匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換過程見圖6，其中UDP為用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)Fig.5 Protocol design of wireless sensor network

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)協(xié)議轉(zhuǎn)換示意Fig.6 Transformation of protocol for sink node

3 關(guān)鍵技術(shù)研究

月表特殊環(huán)境的影響，尤其是晝夜高溫差對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的正常工作，提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。由于節(jié)點(diǎn)很難及時(shí)更換，因此研究節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)工作能力對實(shí)現(xiàn)無人干預(yù)的長期監(jiān)測至關(guān)重要。長期暴露在月表的節(jié)點(diǎn)容易被月塵覆蓋，導(dǎo)致通信、發(fā)電效率降低。常規(guī)的路由協(xié)議，如洪泛、靜態(tài)分簇等，對局部網(wǎng)絡(luò)能耗要求較高，導(dǎo)致無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期較短。另外，月表環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)回傳地面，對通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提出了新要求。因此，實(shí)現(xiàn)月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)研究以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 太陽能電池技術(shù)

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用干電池、鋰電池等一次性電池供電，無法滿足月表長期無人監(jiān)測的要求。為保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可持續(xù)工作，本文提出一種應(yīng)用太陽能發(fā)電的節(jié)點(diǎn)供能模塊設(shè)計(jì)。借鑒地面太陽能電池技術(shù)，為節(jié)點(diǎn)安裝太陽能電池板，利用太陽能電池板物理設(shè)計(jì)、太陽能電池前后級設(shè)計(jì)和太陽能電池充放電邏輯設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)長期工作。太陽能電池板物理設(shè)計(jì)應(yīng)適應(yīng)月表高低溫環(huán)境，研究發(fā)電效率、發(fā)電量和被動防月塵等。太陽能電池前后級設(shè)計(jì)應(yīng)研究前級儲能指標(biāo)、后級儲能指標(biāo)、前級充放電次數(shù)和后級充放電次數(shù)。太陽能電池充放電邏輯設(shè)計(jì)采用通過設(shè)置后級電池的充電門限，采用比例積分微分(PID)控制閉環(huán)邏輯控制前級電池對后級電池的充電動作；通過設(shè)置后級電池的放電門限，將無線傳感器節(jié)點(diǎn)的供能接口從前級電池切換至后級電池。

3.2 電簾除塵技術(shù)

由于月塵累積的影響，太陽能電池輸出功率會急劇下降。為保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)長期正常工作，要采用主動除塵技術(shù)對太陽能電池板進(jìn)行定期的主動除塵，保證太陽能電池板的發(fā)電效率。電簾除塵技術(shù)具有高透過率、長壽命及高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)電源的類型，電簾分為單相、三相和多相電簾。由連接到多相(或單相)交流電源上的平行透明電極組成電簾，通電后形成移動的交變強(qiáng)電場，月塵顆粒在強(qiáng)電場的極化下，被電場力舉起并沿垂直于電極軸線的方向運(yùn)動實(shí)現(xiàn)除塵。地面通過將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的太陽能電池發(fā)電效率作為電簾除塵的控制輸入，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的主動除塵干預(yù)。

3.3 主動熱控技術(shù)

由于月表特殊的高低溫環(huán)境，需要對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行熱控保護(hù)。主動熱控技術(shù)通過對處于被動熱控包覆下的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行閉環(huán)的加熱控制，保證節(jié)點(diǎn)工作在一個(gè)相對恒定的溫度環(huán)境。借鑒航天器的熱管設(shè)計(jì)原理，在節(jié)點(diǎn)的熱控包覆內(nèi)部設(shè)置熱管，通過對節(jié)點(diǎn)的測溫結(jié)果進(jìn)行評估，對熱管工質(zhì)進(jìn)行加熱處置，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的熱控。

3.4 能量均衡的路由技術(shù)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能量有限，為保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的長期穩(wěn)定工作，采取一種能量均衡的路由技術(shù)，提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的生存周期。當(dāng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)必須經(jīng)過其余幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)才能到達(dá)匯聚節(jié)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能的節(jié)點(diǎn)稱為簇頭節(jié)點(diǎn)，簇頭節(jié)點(diǎn)的能耗通常較大，因此必須定期地輪換簇頭節(jié)點(diǎn)，避免某個(gè)固定節(jié)點(diǎn)的癱瘓。通過采用定期的節(jié)點(diǎn)剩余能量評估，動態(tài)選擇簇頭節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量均衡，提升無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生存周期和魯棒性。

4 可行性和優(yōu)勢分析

4.1 可行性分析

(1)針對月表環(huán)境的節(jié)點(diǎn)技術(shù)可行性分析。針對月表的高低溫環(huán)境、月塵影響、電池不可更換的問題，分別提出了主動/被動熱控技術(shù)、電簾除塵技術(shù)和太陽能電池技術(shù)的解決措施，提升了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的月表環(huán)境適應(yīng)性。其中，主動/被動熱控技術(shù)和太陽能電池技術(shù)分別借鑒載人飛船，已在軌飛行驗(yàn)證。電簾除塵技術(shù)也已經(jīng)應(yīng)用于太陽能電池板清潔，并且國內(nèi)已經(jīng)針對采用電簾除塵技術(shù)對嫦娥三號太陽電池陣的除塵效率進(jìn)行了研究[13]。

(2)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)技術(shù)可行性分析。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在地面已經(jīng)廣泛應(yīng)用于無人區(qū)測試，如著名的大鴨島試驗(yàn)，因此，只要解決電池更換問題，就可用于月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)。通過采用能量均衡的低功耗路由技術(shù)，可以解決電池長期工作問題，提升網(wǎng)絡(luò)的生存周期，最長可以連續(xù)工作2年。

(3)地月通信技術(shù)可行性分析。嫦娥系列探測器使地月的深空通信技術(shù)得到充分驗(yàn)證?；谠虑蛑欣^的地月通信技術(shù)目前還處于方案階段，其中，基于環(huán)月軌道的月球中繼方案可以充分借鑒天鏈系列地球中繼衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方法，具有實(shí)現(xiàn)方式較為簡單、理論難度低的優(yōu)點(diǎn)。基于地月平動點(diǎn)軌道的中繼通信方式是未來的發(fā)展方向[14-16]，具有低成本、系統(tǒng)簡化的優(yōu)點(diǎn)。

4.2 優(yōu)勢分析

應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，從探測距離、探測對象、探測范圍、探測時(shí)間、系統(tǒng)可靠性、成本等方面，比傳統(tǒng)的高光譜遙感、雷達(dá)遙感、月球車、月球機(jī)器人、航天員考察等探測手段具有優(yōu)勢，見表2。

表2 月表環(huán)境探測方式的比較

5 結(jié)束語

針對月表的特殊環(huán)境，本文提出一種應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)想，可實(shí)現(xiàn)對月表環(huán)境的長期無人監(jiān)測。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，采用太陽能電池設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的可持續(xù)工作；采用防月塵模塊和電簾除塵技術(shù)，防止節(jié)點(diǎn)被月塵掩埋；通過設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)的被動熱控模塊和主動熱控模塊，保證節(jié)點(diǎn)適應(yīng)高低溫環(huán)境。為提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期，采用基于能量均衡的路由技術(shù)。針對月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了月表-月球中繼-地球中繼-地球地面站的通信協(xié)議棧。利用月球著陸器作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得數(shù)據(jù)的搜集和轉(zhuǎn)發(fā)。利用月球中繼的地月通信，提升測控覆蓋率。本文提出的系統(tǒng)可為我國未來進(jìn)行月表探測活動提供參考。

作為一種系統(tǒng)構(gòu)想，本文提出了可能采取的系統(tǒng)架構(gòu)及一些關(guān)鍵的支撐技術(shù)。今后，還要進(jìn)一步開展詳細(xì)設(shè)計(jì)與論證，尤其是結(jié)合應(yīng)用微機(jī)電技術(shù)和先進(jìn)無線射頻技術(shù)，論證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的體積、質(zhì)量、功耗，與通過月球著陸器進(jìn)行月表布撒節(jié)點(diǎn)的方案，以及系統(tǒng)各鏈路的無線通信能力能否滿足要求等，才能完成工程可行性論證。

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(編輯：夏光)

Idea for Lunar Surface Environment Long-term Unmanned Monitoring System By Using Wireless Sensor Network

LONG Yin1CHEN Song1QI Xin1WANG Yang1ZHANG Yalin2

(1 Institute of Manned Space System Engineering， China Academy of Space Technology， Beijing 100094， China) (2 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity， Beijing 100094， China)

An idea for lunar surface environment monitoring system by using WSN (wireless sensor network) is proposed for long-term unmanned monitoring,considering the large temperature difference between day and night,the loose soil structure of lunar surface and the space radiation intensity. The system is composed of WSN,relay satellite of lunar,relay satellite of earth and earth station. The solar cell technology is used for the node’s sustainable work. In order to avoid being buried,the shape of the node is designed,and dust removal by electric curtain is adopted. The thermal control coating and heating device of node are designed to adapt the high and low temperature environment. An energy-balanced routing protocol is proposed to prolong the network lifetime. The communication protocol stack for lunar surface,lunar relay satellite,earth relay satellite and earth station is designed. The earth-moon communication technique based on relay satellite is proposed to guarantee real-time data transmission. Compared with the traditional technique such as microwave detector and rover,the idea proposed in this paper has advantages such as more detecting objects,larger detection range,longer detection time,higher reliability and lower costs.

lunar surface environment； long-term unmanned monitoring system； wireless sensor network； node； protocol stack

2017-02-04；

2017-03-23

龍吟，男，工程師，從事航天器測控與通信分系統(tǒng)研究工作。Email:ly24381@163.com。

V476.9

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.03.002