分離式火衛一探測立方星

吳佳蔚 周煜 江易航

我校是重慶市首個“航天未來人才培養基地校”，先后開設了“運載火箭結構設計與制作”“功能模擬衛星探究與制作”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。查找資料時我們發現，改造火星環境、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，即中轉基地，以滿足物資供應和長期監測的需要。

在探索過程中，我們發現火衛一可作為火星“天然空間站”，為火星基地的建設提供便利。此外，火衛一還具有極高的戰略意義和科研價值，多個國家已著手開展相關研究。火衛一探測將是僅次于火星探測的重要航天任務。

一、人員分工

吳佳蔚主要負責衛星主體結構設計與應用拓展、功能設計和論文撰寫等工作。周煜主要負責3D結構設計與打印、系統編程、系統調試等工作。江易航主要負責結構設計與繪制、電路連接、結構搭建等工作。

二、火衛一探測衛星的任務分析

（一）地形、地貌拍攝

全面獲取地形地貌數據，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，為后續火衛一的建設定制光學導航系統。

（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

如檢測火衛一環境，探測大氣、光照、輻射以及內部巖石和冰層的分布，等等。

三、總體概念設計

為了采集火衛一的重力場、地形、地貌數據，我們設計了一種可分離的“一體多星”火衛一探測衛星結構，采用多星組合的方式進入火衛一穩定準衛星軌道，其后分離成單立方星。通過該平臺搭載的光學成像模塊、重力梯度儀對火衛一實施全面探測，建立單星間的通信自組網絡，進行任務分配與監管。

我們將設計的衛星命名為“Spark One”，衛星總體體系構成如圖1所示。

衛星發射前，根據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作為衛星的母體，可開展星地間的聯絡通信（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連接在一起，在送達任務軌道后自動分離。分離后在衛星單元之間建立通信自組網，進行在線任務規劃以及數據共享。

以雙星組合為例，“Spark One”衛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。單個立方星單元結構均采用國際標準1U（10 cm×10 cm×10 cm）的立方星框架作為結構系統，立方星單元各個設備布局通過堆棧的方式固連在衛星結構上。“Spark One”衛星結構以及衛星內部的設備布局三維圖如圖2。

四、衛星地面模擬實物設計與驗證

（一）設計實物模型

實物模型包括衛星整體結構設計、衛星電子系統設計。其中，衛星整體結構包括1U立方星單元總體設計、可分離式連接裝置設計。

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

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據、檢測大氣塵埃，另一個立方星單元采集與分析圖像。在地面模擬系統載荷方面，光學成像衛星搭載溫度傳感器和高分辨率相機，重力梯度探測衛星搭載重力梯度儀、塵埃檢測傳感器。

（二）設計衛星電路

衛星實物系統主要由數據采集層、數據處理層、結果顯示層組成。數據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。數據處理層包括STM32 F103芯片為主的處理器和樹莓派的圖像處理模塊。結果顯示層選擇OLED顯示屏。

（三）設計衛星分離結構

考慮到光學成像衛星和重力梯度探測衛星需在不同的軌道執行任務，因此，我們設計了一種用于微小衛星分離的簡易機械結構。該結構包括響應裝置、機械傳動裝置、彈射釋放裝置，具有成本低、結構簡單、運行穩定和分離沖擊力小等優點。該分離器件增強了衛星的可拓展能力，有利于實現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火衛一表層的視覺圖像信息、紅外圖像信息等。基于處理后的圖像，通過對火衛一表層的基坑分析、輪廓分析，可提取火衛一表層圖像特征。

在驗證實驗過程中缺乏實時的火衛一圖像，于是我們將衛星的圖像識別系統設計成離線系統，即不能實時拍攝火衛一。因此將拍攝過程省略，利用火衛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，實驗結果與預期存在誤差，后續將繼續對程序進行優化。

（五）重力數據采集

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

控制器MCU讀取陀螺儀模塊JY61的串口數據，包含三軸的加速度數據。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據與預測結果一致。

（六）其他任務

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

五、總結與展望

提出一種多任務并行的火衛一探測器系統設計，有望實現火星探測可持續發展的前期探測任務。一體多星的結構既可以促進火星探測的科學發現，又可以帶動深空探測技術與模塊化航天器設計技術的發展。

“Spark One”衛星仍有較大改進空間，后期我們將進行如下改進：結合人工智能與深度學習，優化圖像識別算法；改進分離裝置，實現分離與組裝的自由調節；對熱控系統進行研究與分析，確保衛星能在火星環境中正常工作。（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，發展航天事業，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探一測立方星，是一件涉及航空航天專業領域的創新實踐作品。這件作品的產生，主要體現了：其一，學校特色科技項目——“航天未來人才培養基地校”的創建、“運載火箭結構設計與制作”“功能模擬衛星探究與制作”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的途徑與方法的探索，富有開創精神，為相關專業頂級人才的培養起到了引領作用。其三，展現了三位同學對航空航天相關領域知識與技術的學習及應用能力。

黨的二十大報告指出：“星空浩瀚無比，探索永無止境，只有不斷創新，中華民族才能更好走向未來。”相信三位同學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 中國發明協會院士專家咨詢工作委員會首任專家，中國發明協會中小學創造教育分會會長，科技創新教育特級教師，教育部國培計劃專家庫專家。