分离式火卫一探测立方星

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。

我们想到了野外科考的方法——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3D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。

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“Spark One”，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1U（10 cm×10 cm×10 cm）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1U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STM32 F103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Z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。将陀螺仪模块Z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。

“Spark One”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——“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。

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。