分離式火衛(wèi)一探測立方星

吳佳蔚 周煜 江易航

我校是重慶市首個“航天未來人才培養(yǎng)基地?！?，先后開設了“運載火箭結(jié)構(gòu)設計與制作”“功能模擬衛(wèi)星探究與制作”等課程。

通過學習，我們了解到火星探測任務是當前航天領域的研究熱點，其目的是為下一階段的火星基地建設奠定基礎。課后，老師讓我們嘗試設計火星基地。查找資料時我們發(fā)現(xiàn)，改造火星環(huán)境、在火星上建造基地的過程漫長而艱難。

我們想到了野外科考的方法——在進入深山考察之前，先在山腳建一個前哨站，即中轉(zhuǎn)基地，以滿足物資供應和長期監(jiān)測的需要。

在探索過程中，我們發(fā)現(xiàn)火衛(wèi)一可作為火星“天然空間站”，為火星基地的建設提供便利。此外，火衛(wèi)一還具有極高的戰(zhàn)略意義和科研價值，多個國家已著手開展相關研究。火衛(wèi)一探測將是僅次于火星探測的重要航天任務。

一、人員分工

吳佳蔚主要負責衛(wèi)星主體結(jié)構(gòu)設計與應用拓展、功能設計和論文撰寫等工作。周煜主要負責3D結(jié)構(gòu)設計與打印、系統(tǒng)編程、系統(tǒng)調(diào)試等工作。江易航主要負責結(jié)構(gòu)設計與繪制、電路連接、結(jié)構(gòu)搭建等工作。

二、火衛(wèi)一探測衛(wèi)星的任務分析

（一）地形、地貌拍攝

全面獲取地形地貌數(shù)據(jù)，探測開闊平坦的地形，分析撞擊坑分布，綜合考慮能源供應、基坑、觀測站、居住環(huán)境等因素，為基地選址提供參考。通過識別基坑圖像確定坐標位置，為后續(xù)火衛(wèi)一的建設定制光學導航系統(tǒng)。

（二）重力場測量

設計軌道，確保航天器著陸與逃逸的成功率較高。

（三）其他任務

如檢測火衛(wèi)一環(huán)境，探測大氣、光照、輻射以及內(nèi)部巖石和冰層的分布，等等。

三、總體概念設計

為了采集火衛(wèi)一的重力場、地形、地貌數(shù)據(jù)，我們設計了一種可分離的“一體多星”火衛(wèi)一探測衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，采用多星組合的方式進入火衛(wèi)一穩(wěn)定準衛(wèi)星軌道，其后分離成單立方星。通過該平臺搭載的光學成像模塊、重力梯度儀對火衛(wèi)一實施全面探測，建立單星間的通信自組網(wǎng)絡，進行任務分配與監(jiān)管。

我們將設計的衛(wèi)星命名為“Spark One”，衛(wèi)星總體體系構(gòu)成如圖1所示。

衛(wèi)星發(fā)射前，根據(jù)不同任務目標選取不同的立方星單元進行拼插，其中立方星單元1作為衛(wèi)星的母體，可開展星地間的聯(lián)絡通信（此外，它還具有長時間軌道機動能力）。其他立方星作為載荷單元，分別搭載不同的任務載荷，如高清可見光相機、重力梯度儀以及AI智能處理平臺等。分離前通過自動分離機構(gòu)連接在一起，在送達任務軌道后自動分離。分離后在衛(wèi)星單元之間建立通信自組網(wǎng)，進行在線任務規(guī)劃以及數(shù)據(jù)共享。

以雙星組合為例，“Spark One”衛(wèi)星分為光學成像立方星單元、重力梯度探測立方星單元兩部分。單個立方星單元結(jié)構(gòu)均采用國際標準1U（10 cm×10 cm×10 cm）的立方星框架作為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，立方星單元各個設備布局通過堆棧的方式固連在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上?！癝park One”衛(wèi)星結(jié)構(gòu)以及衛(wèi)星內(nèi)部的設備布局三維圖如圖2。

四、衛(wèi)星地面模擬實物設計與驗證

（一）設計實物模型

實物模型包括衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)設計、衛(wèi)星電子系統(tǒng)設計。其中，衛(wèi)星整體結(jié)構(gòu)包括1U立方星單元總體設計、可分離式連接裝置設計。

單個衛(wèi)星外部采用展開太陽能電池板的方式，以增大衛(wèi)星的發(fā)電功率。在衛(wèi)星的X、Y、Z面設置太陽敏感器，為衛(wèi)星提供姿態(tài)信息。“Spark One”衛(wèi)星內(nèi)部搭載多塊鋰離子電池，與太陽能電池配套使用，使系統(tǒng)供電平穩(wěn)。衛(wèi)星電子系統(tǒng)主要包括基于STM32單片機的重力數(shù)據(jù)采集、基于樹莓派的圖像識別系統(tǒng)。

實物模型采用雙星組合單元，其中一個立方星單元采集重力數(shù)據(jù)、檢測大氣塵埃，另一個立方星單元采集與分析圖像。在地面模擬系統(tǒng)載荷方面，光學成像衛(wèi)星搭載溫度傳感器和高分辨率相機，重力梯度探測衛(wèi)星搭載重力梯度儀、塵埃檢測傳感器。

（二）設計衛(wèi)星電路

衛(wèi)星實物系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)處理層、結(jié)果顯示層組成。數(shù)據(jù)采集層包括重力傳感器、溫度傳感器、塵埃檢測傳感器和高清相機模塊。數(shù)據(jù)處理層包括STM32 F103芯片為主的處理器和樹莓派的圖像處理模塊。結(jié)果顯示層選擇OLED顯示屏。

（三）設計衛(wèi)星分離結(jié)構(gòu)

考慮到光學成像衛(wèi)星和重力梯度探測衛(wèi)星需在不同的軌道執(zhí)行任務，因此，我們設計了一種用于微小衛(wèi)星分離的簡易機械結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)包括響應裝置、機械傳動裝置、彈射釋放裝置，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定和分離沖擊力小等優(yōu)點。該分離器件增強了衛(wèi)星的可拓展能力，有利于實現(xiàn)多任務并行的探測計劃。

（四）AI圖像識別

利用高清攝像機獲取原始圖像，這些原始圖像包括探測器視野范圍內(nèi)火衛(wèi)一表層的視覺圖像信息、紅外圖像信息等?；谔幚砗蟮膱D像，通過對火衛(wèi)一表層的基坑分析、輪廓分析，可提取火衛(wèi)一表層圖像特征。

在驗證實驗過程中缺乏實時的火衛(wèi)一圖像，于是我們將衛(wèi)星的圖像識別系統(tǒng)設計成離線系統(tǒng)，即不能實時拍攝火衛(wèi)一。因此將拍攝過程省略，利用火衛(wèi)一的照片進行整體輪廓和表面基坑等特征的識別。

利用同樣的處理方法識別基坑，并標記基礎坐標。然而，實驗結(jié)果與預期存在誤差，后續(xù)將繼續(xù)對程序進行優(yōu)化。

（五）重力數(shù)據(jù)采集

利用六軸陀螺儀模擬構(gòu)建重力梯度儀，測量三軸的加速度，通過Z軸模擬衛(wèi)星重力加速度測量。

控制器MCU讀取陀螺儀模塊JY61的串口數(shù)據(jù)，包含三軸的加速度數(shù)據(jù)。將陀螺儀模塊Z軸朝上置于靜止的桌面上，讀取的三軸加速度數(shù)據(jù)與預測結(jié)果一致。

（六）其他任務

在模擬實驗中，通過圖像化編程，“Spark One”衛(wèi)星實現(xiàn)了塵埃檢測、溫度檢測以及顯示。通過組裝與編程調(diào)試，“Spark One”衛(wèi)星基本滿足了設計要求。

五、總結(jié)與展望

提出一種多任務并行的火衛(wèi)一探測器系統(tǒng)設計，有望實現(xiàn)火星探測可持續(xù)發(fā)展的前期探測任務。一體多星的結(jié)構(gòu)既可以促進火星探測的科學發(fā)現(xiàn)，又可以帶動深空探測技術(shù)與模塊化航天器設計技術(shù)的發(fā)展。

“Spark One”衛(wèi)星仍有較大改進空間，后期我們將進行如下改進：結(jié)合人工智能與深度學習，優(yōu)化圖像識別算法；改進分離裝置，實現(xiàn)分離與組裝的自由調(diào)節(jié)；對熱控系統(tǒng)進行研究與分析，確保衛(wèi)星能在火星環(huán)境中正常工作。（指導老師：田震? ?龍城）

專家點評

習近平總書記指出“探索浩瀚宇宙，發(fā)展航天事業(yè)，建設航天強國，是我們不懈追求的航天夢”。吳佳蔚、周煜、江易航三位同學的分離式火衛(wèi)探一測立方星，是一件涉及航空航天專業(yè)領域的創(chuàng)新實踐作品。這件作品的產(chǎn)生，主要體現(xiàn)了：其一，學校特色科技項目——“航天未來人才培養(yǎng)基地?！钡膭?chuàng)建、“運載火箭結(jié)構(gòu)設計與制作”“功能模擬衛(wèi)星探究與制作”等課程的實施卓有成效，值得推崇。其二，教師指導學生就“火星環(huán)境改造和基地建設”這個漫長而艱難的項目進行探究實踐，著力基于航空航天人才培養(yǎng)的途徑與方法的探索，富有開創(chuàng)精神，為相關專業(yè)頂級人才的培養(yǎng)起到了引領作用。其三，展現(xiàn)了三位同學對航空航天相關領域知識與技術(shù)的學習及應用能力。

黨的二十大報告指出：“星空浩瀚無比，探索永無止境，只有不斷創(chuàng)新，中華民族才能更好走向未來?！毕嘈湃煌瑢W能在學校特色科技園地里，成長為祖國和人民需要的航空航天拔尖人才。

本期點評專家

譚迪熬 中國發(fā)明協(xié)會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發(fā)明協(xié)會中小學創(chuàng)造教育分會會長，科技創(chuàng)新教育特級教師，教育部國培計劃專家?guī)鞂＜摇?/p>