分离式火卫一探测立方星.pdf

创造天地本期点评专家谭迪熬中国发明协会院士专家咨询工作委员会首任专家，中国发明协会中小学创造教育分会会长，科技创新教育特级教师，教育部国培计划专家库专家。分离式火卫一探测立方星重庆市南开两江中学校高2 0 2 4 级（三）班吴佳蔚周煜江易航我校是重庆市首个“航天未来人才培养基地校”，先后开设了“运载火箭结构设计与制作”“功能模拟卫星探究与制作”等课程。通过学习，我们了解到火星探测任务是当前航天领域的研究热点，其目的是为下一阶段的火星基地建设奠定基础。课后，老师让我们尝试设计火星基地。查找资料时我们发现，改造火星环境、在火星上建造基地的过程漫长而艰难。142023年8 月发明与创新高中生我们想到了野外科考的方法一一在进入深山考察之前，先在山脚建一个前哨站，即中转基地，以满足物资供应和长期监测的需要。在探索过程中，我们发现火卫一可作为火星“天然空间站”，为火星基地的建设提供便利。此外，火卫一还具有极高的战略意义和科研价值，多个国家已着手开展相关研究。火卫一探测将是仅次于火星探测的重要航天任务。一、人员分工吴佳蔚主要负责卫星主体结构设计与应用拓展、功能设计和论文撰写等工作。周煜主要负责3 D结构设计与打印、系统编程、系统调试等工作。江易航主要负责结构设计与绘制、电路连接、结构搭建等工作。创造天地二、火卫一探测卫星的任务分析（一）地形、地貌拍摄全面获取地形地貌数据，探测开阔平坦的地形，分析撞击坑分布，综合考虑能源供应、基坑、观测站、居住环境等因素，为基地选址提供参考。通过识别基坑图像确定坐标位置，为后续火卫一的建设定制光学导航系统。（二）重力场测量设计轨道，确保航天器着陆与逃逸的成功率较高。（三）其他任务如检测火卫一环境，探测大气、光照、辐射以及内部岩石和冰层的分布，等等。三、总体概念设计为了采集火卫一的重力场、地形、地貌数据，我们设计了一种可分离的“一体多星”火卫一探测卫星结构，采用多星组合的方式进入火卫一稳定准卫星轨道，其后分离成单立方星。通过该平台搭载的光学成像模块、重力梯度仪对火卫一实施全面探测，建立单星间的通信自组网络，进行任务分配与监管。我们将设计的卫星命名为“SparkOne”，卫星总体体系构成如图1 所示。卫星发射前，根据不同任务目标选通信自组网局域载荷1通信姿轨控制系统立方星单元1测控电源系统系统星地网络局域载荷2通信分离立方星单元2机构姿控电源系统系统分离机构姿控系统立方星单元门姿控电源载荷4系统系统局域载荷3通信分离立方星单元3机构姿控电源系统系统局域通信自组网通信图1 卫星总体体系构成示意图2023年8 月5发明与创新高中生创造天地取不同的立方星单元进行拼插，其中立方星单元1 作为卫星的母体，可开展星地间的联络通信（此外，它还具有长时间轨道机动能力）。其他立方星作为载荷单元，分别搭载不同的任务载荷，如高清可见光相机、重力梯度仪以及AI智能处理平台等。分离前通过自动分离机构连接在一起，在送达任务轨道后自动分离。分离后在卫星单元之间建立通信自组网，进行在线任务规划以及数据共享。以双星组合为例，“Spark One”卫星分为光学成像立方星单元、重力梯度探测立方星单元两部分。单个立方星单元结构均采用国际标准1 U（1 0 c m 1 0 c m 1 0 c m）的立方星框架作为结构系统，立方星单元各个设备布局通过堆栈的方式固连在卫星结构上。“Spark One”卫星结构以及卫星内部的设备布局三维图如图2。四、卫星地面模拟实物设计与验证（一）设计实物模型实物模型包括卫星整体结构设计、卫星电子系统设计。其中，卫星整体结构包括1 U立方星单元总体设计、可分离式连接装置设计。单个卫星外部采用展开太阳能电池板的方式，以增大卫星的发电功率。在卫星的X、Y、Z 面设置太阳敏感器，为卫星提供姿态信息。“Spark One”卫星内部搭载多块锂离子电池，与太阳能电池配套使用，使系统供电平稳。卫星电子系统主要包括基于STM32单片机的重力数据采集、基于树莓派的图像识别系统。实物模型采用双星组合单元，其中一个立方星单元采集重力数据、检测大气尘埃，另一个立方星单元采集与重力探测卫星光学成像卫星卫星工程图卫星内部结构与布局卫星整体构型图2“SparkOne”卫星结构以及卫星内部的设备布局三维图162023年8 月发明与创新高中生创造天地TRAININGTRAINING图3 制作与搭建“SparkOne”卫星结构分析图像。在地面模拟系统载荷方面，光学成像卫星搭载温度传感器和高分辨率相机，重力梯度探测卫星搭载重力梯度仪、尘埃检测传感器。（二）设计卫星电路卫星实物系统主要由数据采集层、数据处理层、结果显示层组成。数据采集层包括重力传感器、温度传感器、尘埃检测传感器和高清相机模块。数据处理层包括STM32F103芯片为主的处理器和树莓派的图像处理模块。结果显示层选择OLED显示屏。（三）设计卫星分离结构考虑到光学成像卫星和重力梯度探测卫星需在不同的轨道执行任务，因此，我们设计了一种用于微小卫星分离的简易机械结构。该结构包括响应装置、机械传动装置、弹射释放装置，具有成本低、结构简单、运行稳定和分离冲击力小等优点。该分离器件增强了卫星的可拓展能力，有利于实现多任务并行的探测计划。（四）AI 图像识别利用高清摄像机获取原始图像，这图4 卫星分离的机械结构及实物2023年8 月117发明与创新高中生创造天地些原始图像包括探测器视野范围内火卫一表层的视觉图像信息、红外图像信息等。基于处理后的图像，通过对火卫一表层的基坑分析、轮廓分析，可提取火卫一表层图像特征。在验证实验过程中缺乏实时的火卫一图像，于是我们将卫星的图像识别系统设计成离线系统，即不能实时拍摄火卫一。因此将拍摄过程省略，利用火卫一的照片进行整体轮廓和表面基坑等特征的识别。利用同样的处理方法识别基坑，并标记基础坐标。然而，实验结果与预期存在误差，后续将继续对程序进行优化。（五）重力数据采集利用六轴陀螺仪模拟构建重力梯度仪，测量三轴的加速度，通过乙轴模拟卫星重力加速度测量。控制器MCU读取陀螺仪模块JY61的串口数据，包含三轴的加速度数据。步骤一步骤二步骤三步骤四步骤五步六读取图片提取图中行星色彩部分腐蚀剔除细小轮廓图5 图像识别的步骤查找所有轮廓筛选并绘制出符绘制出最小矩形合条件的轮廓框并标基础坐标图6 模拟重力梯度仪测试182023年8 月发明与创新高中生创造天地将陀螺仪模块乙轴朝上置于静止的桌面上，读取的三轴加速度数据与预测结果一致。（六）其他任务在模拟实验中，通过图像化编程，“Spark One”卫星实现了尘埃检测、温度检测以及显示。通过组装与编程调试，“Spark One”卫星基本满足了设计要求。五、总结与展望提出一种多任务并行的火卫一探测器系统设计，有望实现火星探测可持续发展的前期探测任务。一体多星的结构既可以促进火星探测的科学发现，又可以带动深空探测技术与模块化航天器设计技术的发展。“SparkOne”卫星仍有较大改进空间，后期我们将进行如下改进：结合人工智能与深度学习，优化图像识别算法；改进分离装置，实现分离与组装的自由调节；对热控系统进行研究与分析，确保卫星能在火星环境中正常工作。（指导老师：田震龙城）专家点评习近平总书记指出“探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦”。吴佳蔚、周煜、江易航三位同学的分离式火卫探一测立方星，是一件涉及航空航天专业领域的创新实践作品。这件作品的产生，主要体现了：其一，学校特色科技项目一“航天未来人才培养基地校”的创建、“运载火箭结构设计与制作”“功能模拟卫星探究与制作”等课程的实施卓有成效，值得推崇。其二，教师指导学生就“火星环境改造和基地建设”这个漫长而艰难的项目进行探究实践，着力基于航空航天人才培养的途径与方法的探索，富有开创精神，为相关专业顶级人才的培养起到了引领作用。其三，展现了三位同学对航空航天相关领域知识与技术的学习及应用能力。党的二十大报告指出：“星空浩瀚无比，探索永无止境，只有不断创新，中华民族才能更好走向未来。”相信三位同学能在学校特色科技园地里，成长为祖国和人民需要的航空航天拔尖人才。2023年8 月119发明与创新高中生