龍吟 陳淞 齊鑫 王洋 張雅琳

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

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應用無線傳感器網絡的月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)構想

龍吟1陳淞1齊鑫1王洋1張雅琳2

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

針對月表晝夜溫差大、月壤結構松散、空間輻射強的特點，提出一種應用無線傳感器網絡的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構想，實現對月表環(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絡、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絡節(jié)點上的太陽能電池設計，實現節(jié)點的可持續(xù)工作。通過節(jié)點外形設計和采用電簾除塵技術，可防止節(jié)點被月塵掩埋。節(jié)點采用熱控包覆和主動熱控措施，能適應月球高低溫環(huán)境。為提高無線傳感器網絡的生命周期，提出一種基于能量均衡的路由技術。針對月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，設計了月表-月球中繼-地球中繼-地球地面站的通信協(xié)議棧，地月中繼通信技術能保證月表環(huán)境參數實時傳回地面。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)；無線傳感器網絡；節(jié)點；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，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地考察；探測技術從可見光、紅外發(fā)展到全月微波探測[1-2]。探測內容包括月球影像、月表礦物質，利用月球車獲取現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，無法近距離獲取實際樣本參數，觀測結果誤差較大。通過月球車軟著陸方式登月進行月表探測，探測范圍受地形限制，探測參數回傳難度大，單點故障風險較高。通過航天員實地考察，適應月表環(huán)境難度大，探測時間和空間均受限，成本和風險都很高。

無線傳感器網絡[6-7]是計算機科學技術的一個新研究領域，它以傳感器技術、無線通信技術、微機電系統(tǒng)(MEMS)和現代網絡技術為基礎，形成了一種全新的信息獲取和處理技術。隨機分布的微小節(jié)點里集成了傳感器、數據處理單元和通信模塊，通過自組織的方式形成網絡，借助于內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，從而可探測許多物理現象。無線傳感器網絡具有低成本、體積小、數據冗余、結構魯棒的優(yōu)點，應用場景包括軍事戰(zhàn)場感知、無人區(qū)監(jiān)測、智慧城市、醫(yī)療交通等方面，技術較為成熟。國內外對無線傳感器網絡應用于深空探測(包括星球表面探測)的研究不多，NASA噴氣推進實驗室(JPL)研制了無線傳感器網絡Sensor Webs[8]，用于未來火星探測，并在佛羅里達航天飛行中心周圍的環(huán)境測試中對其進行了測試驗證，但是已公布的資料缺少對深空環(huán)境的適應性設計。文獻[9]中提出了一種月球環(huán)境下無線傳感器網絡節(jié)點的設計方法，但缺少針對節(jié)點可持續(xù)工作的能量模塊設計，無法支持無線傳感器網絡在月表長期自主工作；其中僅關注節(jié)點自身設計，缺少對無線傳感器網絡的自身組網設計和協(xié)議棧設計。

本文提出一種月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構想，借助月球著陸器布撒的無線傳感器網絡節(jié)點，可實現對月表環(huán)境長期無人監(jiān)測，通過月球著陸器搜集所有節(jié)點的監(jiān)測數據并進行融合，最后將融合結果發(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)構想

2.1 無線傳感器網絡的應用價值

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。無線傳感器網絡應用于月表環(huán)境監(jiān)測，其價值體現在：①無線傳感器網絡在地面已經廣泛應用于惡劣自然環(huán)境的長期無人監(jiān)測，如火山監(jiān)測、海洋探索。通過改進無線傳感器網絡節(jié)點，使之適應高真空、晝夜溫差大、強輻射的月表環(huán)境，實現月表探測。②無線傳感器網絡通過采用低功耗的無線通信方式和路由協(xié)議，實現網絡壽命的最大化，應用壽命通常大于2年。對能源模塊采用可持續(xù)功能設計，能進一步延長使用壽命，這樣就可以解決監(jiān)測設備能量有限、實現長期可持續(xù)監(jiān)測困難等問題。③無線傳感器網絡節(jié)點通過月球著陸器在月表進行大面積布撒，并利用多跳方式自組織形成網絡，從而實現對月表大范圍區(qū)域的環(huán)境監(jiān)測。④通過在節(jié)點上配置各種類型的傳感器，實現對月表環(huán)境眾多參數的同時監(jiān)測。因此，無線傳感器網絡是月表長期無人監(jiān)測的有效方案。

2.2 系統(tǒng)構想

本文提出一種應用無線傳感器網絡的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構想(見圖1)，可實現對月表環(huán)境的實時長期無人監(jiān)測。通過月球著陸器在月表隨機布撒大量無線傳感器網絡節(jié)點(包括普通節(jié)點和簇頭節(jié)點，分別為圖1中的黃色節(jié)點和綠色節(jié)點)，節(jié)點之間通過自組織形成網絡，并根據節(jié)點配置的傳感器實時監(jiān)測月表環(huán)境參數，將監(jiān)測結果通過多跳的方式傳遞給月球著陸器(可稱為匯聚節(jié)點)。普通節(jié)點用于數據采集和發(fā)送，簇頭節(jié)點僅用于數據轉發(fā)。普通節(jié)點和簇頭節(jié)點配置一樣，簇頭節(jié)點通過動態(tài)選舉，從普通節(jié)點中產生。當節(jié)點組成一個規(guī)模較大的傳感器網絡時，數據往往要經過多個簇頭節(jié)點的轉發(fā)才能到達月球著陸器。月球著陸器對接收到的數據進行融合，并將處理后的數據通過無線鏈路發(fā)送給月球中繼衛(wèi)星。月球中繼衛(wèi)星將數據轉發(fā)給地球中繼衛(wèi)星，地球中繼衛(wèi)星將數據轉發(fā)給地球地面站進行處理，獲得月表的實時環(huán)境參數。同樣，地面通過反向鏈路發(fā)送對月表無線傳感器網絡的控制信息。月球著陸器的軟硬件資源豐富，數據處理能力及通信能力較強，可作為無線傳感器網絡與月球中繼衛(wèi)星之間的網關。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，可作為地月通信的手段。月表無線傳感器網絡內部采用IEEE802.15.4通信協(xié)議，根據天地一體化設計思路，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據系統(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(IP over CCSDS)。地面站和地面網絡之間采用TCP/IP協(xié)議(TCP為傳輸控制協(xié)議)。為實現月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，要解決3個難題，包括：①設計一種適應月表環(huán)境的無線傳感器網絡節(jié)點；②設計一種能量均衡的低功耗無線傳感器網絡組網方法；③設計一種支持地月深空通信的無線傳感器網絡協(xié)議棧。

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

2.2.1 無線傳感器網絡節(jié)點的設計

月表環(huán)境具有晝夜溫差大、月壤結構松散、空間輻射強、高真空的特點，要求節(jié)點具有月表環(huán)境的適應能力。一般，傳統(tǒng)無線傳感器網絡節(jié)點包括：①處理器模塊，用來實現數據接收和數據融合；②無線通信模塊，實現節(jié)點之間的無線通信；③傳感器模塊，實現外界環(huán)境的感知，即數據采集；④蓄電池供電的能源模塊。傳統(tǒng)無線傳感器網絡節(jié)點工作在地面環(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，無法適應月表的特殊工作環(huán)境。為此，對月表無線傳感器網絡節(jié)點按照模塊化設計的思路進行了專門設計，見圖2。在傳統(tǒng)結構的基礎上，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)點的抗掩埋能力；新增主動熱控模塊和被動熱控模塊，以擴大節(jié)點的工作溫度范圍，適應月表的高溫差環(huán)境；新增防輻射模塊，以提升節(jié)點的抗輻射能力；新增耐真空模塊，以提升節(jié)點的耐真空性能。

圖2 無線傳感器網絡節(jié)點模塊化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計要求是低功耗、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 ℃，抗輻射指標滿足深空探測需求，已經成功應用于嫦娥系列等航天器。無線傳輸方式主要包括藍牙、WiFi、紅外和ZigBee，如表1所示。其中：ZigBee技術傳輸速率低，能耗、設計難度及制造成本均低于藍牙、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

傳感器模塊可根據需求進行定制，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現其持續(xù)工作。如果節(jié)點處于月面，就必須設計一種新型的無人干預的供能手段，實現無線傳感器網絡的長期無人監(jiān)測。太陽能電池模塊能利用月表豐富的太陽能，實現節(jié)點的可持續(xù)工作。太陽能電池模塊的設計借鑒已有航天器，諸如衛(wèi)星、載人飛船等的電源分系統(tǒng)的設計模式進行縮比化設計，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換為電能，經調節(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計為前后兩級：前級實現能量存儲、負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換時作為負載的后備能源，并在自身消耗以后通過前級補充能量，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，并在電池電壓低于設定值時，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、風和生命活動的環(huán)境下，由流星撞擊、宇宙射線和太陽風輻射、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(數厘米至數米)。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)點的掩埋，影響節(jié)點的太陽能發(fā)電及通信功能。防月塵模塊能防止月塵對節(jié)點的傷害，如掩埋節(jié)點造成通信不良，遮蔽太陽電池板導致發(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。

被動防月塵模塊設計要考慮2個方面。①為了防止被埋在月塵里，節(jié)點對月塵的壓強應滿足相應要求，節(jié)點的質量越小越好，但底部的面積應足夠大，為此，對節(jié)點進行封裝設計，將節(jié)點封裝在一個錐形密封結構里。錐形的重心低，并且錐形的大底面積足夠大，能保證錐形的壓強小，不會陷落在月塵里；由于重心低，節(jié)點不會翻倒。另外，密封設計隔離了節(jié)點與月塵的接觸。②在太陽電池板外表設置不粘表面。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，設置導電鍍膜，即在功能表面鍍一層超薄導電膜(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構簡單、質量小、無功耗和不需維護等優(yōu)點。

主動防月塵模塊采用電簾除塵技術，實現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電場，月塵顆粒在強電場的極化下，被電場力舉起并沿垂直于電極軸線的方向運動，實現除塵。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，主要受到太陽風、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)。由于微電子產品對空間輻射非常敏感，因此必須考慮空間輻射的防護問題，提高其可靠性。防輻射模塊采用電磁屏蔽體，使內部器件免受外界空間電磁場的影響；對于內部敏感設備進行點屏蔽，以抑制內部干擾，并提高系統(tǒng)或設備的電磁兼容性；通過電流監(jiān)測避免單粒子閂鎖；通過電壓監(jiān)測避免單粒子柵破裂和單粒子燒毀；設計專門的糾檢錯模塊糾正數據存儲器單粒子翻轉，實現容錯的目的。

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)點的結構受到0.1 MPa的附加內壓。耐真空模塊參照航天器的封裝技術，采用S42空間密封材料，對節(jié)點進行密封設計。S42已成功應用于神舟系列載人飛船和天宮一號目標飛行器的密封[11]，能滿足承受0.1 MPa的附加內壓的要求。

7)熱控模塊

月表由于沒有大氣層熱傳導，晝夜溫差大，溫度范圍約為-153～+126 ℃。極高的溫差，使節(jié)點的處理器模塊、無線通信模塊和太陽能電池模塊面對嚴峻挑戰(zhàn)。熱控模塊[9]分為被動熱控模塊和主動熱控模塊，分別用于實現對節(jié)點的被動和主動控溫。被動熱控模塊通過對節(jié)點進行隔熱封裝實現，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輻射散熱盡可能小。內蒙皮主要起支撐作用，為節(jié)點內部提供一個密封、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)點加熱，并通過熱管將熱量均勻傳遞到節(jié)點的周圍，保證在月夜期間節(jié)點溫度處于工作范圍內。

圖4為無線傳感器網絡節(jié)點結構。

圖4 無線傳感器網絡節(jié)點結構Fig.4 Configuration of wireless sensor network node

2.2.2 無線傳感器網絡的組網設計

無線傳感器網絡由若干節(jié)點和月球著陸器(匯聚節(jié)點)組成。月球著陸器具有較強的數據存儲、處理和通信能力，是無線傳感器網絡和月球中繼衛(wèi)星的網關。月球著陸器作為協(xié)議轉換的通信橋梁，一方面，將基于IEEE802.15.4的無線傳感器網絡采集的信息，轉換為IP over CCSDS格式，發(fā)送到月球中繼衛(wèi)星，再經過地球中繼衛(wèi)星回傳到地面網絡；另一方面，月球著陸器接收地面網絡發(fā)送的IP over CCSDS格式的控制指令信息，并轉換為IEEE802.15.4格式的指令信息，發(fā)送給無線傳感器網絡節(jié)點。

由于節(jié)點的能量有限，盡量降低節(jié)點的能量消耗，提高無線傳感器網絡的生存周期，是必須重點考慮和解決的問題。一方面，節(jié)點在無數據傳輸時采用休眠機制，以降低節(jié)點的能量消耗；另一方面，由于簇頭節(jié)點的能量消耗遠遠高于普通節(jié)點，可采用一種基于能量均衡的分簇多跳路由算法[12]。

2.2.3 無線傳感器網絡的協(xié)議棧設計

無線傳感器網絡的協(xié)議棧設計如圖5所示。普通節(jié)點的協(xié)議棧自頂向下包括應用框架層、應用支持層、網絡層、數據鏈路層和物理層，其中應用框架層、應用支持層和網絡層符合ZigBee規(guī)范的定義，數據鏈路層和物理層符合IEEE802.15.4標準。簇頭節(jié)點的協(xié)議棧只包括網絡層、數據鏈路層和物理層，遵循標準和普通節(jié)點一致。

月球著陸器(即匯聚節(jié)點)的協(xié)議層自頂向下包括網絡層、數據鏈路層和物理層。網絡層同時遵循ZigBee規(guī)范和IP協(xié)議，數據鏈路層同時支持IEEE802.15.4和IP over CCSDS規(guī)范，物理層同時支持IEEE802.15.4和天地射頻鏈路規(guī)范。匯聚節(jié)點協(xié)議轉換過程見圖6，其中UDP為用戶數據報協(xié)議。

圖5 無線傳感器網絡協(xié)議棧設計Fig.5 Protocol design of wireless sensor network

圖6 匯聚節(jié)點協(xié)議轉換示意Fig.6 Transformation of protocol for sink node

3 關鍵技術研究

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絡節(jié)點的正常工作，提出了嚴峻考驗。由于節(jié)點很難及時更換，因此研究節(jié)點的可持續(xù)工作能力對實現無人干預的長期監(jiān)測至關重要。長期暴露在月表的節(jié)點容易被月塵覆蓋，導致通信、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，對局部網絡能耗要求較高，導致無線傳感器網絡的生命周期較短。另外，月表環(huán)境參數的實時回傳地面，對通信系統(tǒng)設計提出了新要求。因此，實現月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，應研究以下關鍵技術。

3.1 太陽能電池技術

傳統(tǒng)的無線傳感器網絡節(jié)點采用干電池、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絡可持續(xù)工作，本文提出一種應用太陽能發(fā)電的節(jié)點供能模塊設計。借鑒地面太陽能電池技術，為節(jié)點安裝太陽能電池板，利用太陽能電池板物理設計、太陽能電池前后級設計和太陽能電池充放電邏輯設計，實現長期工作。太陽能電池板物理設計應適應月表高低溫環(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計應研究前級儲能指標、后級儲能指標、前級充放電次數和后級充放電次數。太陽能電池充放電邏輯設計采用通過設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；通過設置后級電池的放電門限，將無線傳感器節(jié)點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

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絡長期正常工作，要采用主動除塵技術對太陽能電池板進行定期的主動除塵，保證太陽能電池板的發(fā)電效率。電簾除塵技術具有高透過率、長壽命及高穩(wěn)定性的優(yōu)點。根據電源的類型，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電場，月塵顆粒在強電場的極化下，被電場力舉起并沿垂直于電極軸線的方向運動實現除塵。地面通過將無線傳感器網絡節(jié)點的太陽能電池發(fā)電效率作為電簾除塵的控制輸入，實現閉環(huán)的主動除塵干預。

3.3 主動熱控技術

由于月表特殊的高低溫環(huán)境，需要對無線傳感器網絡節(jié)點進行熱控保護。主動熱控技術通過對處于被動熱控包覆下的節(jié)點進行閉環(huán)的加熱控制，保證節(jié)點工作在一個相對恒定的溫度環(huán)境。借鑒航天器的熱管設計原理，在節(jié)點的熱控包覆內部設置熱管，通過對節(jié)點的測溫結果進行評估，對熱管工質進行加熱處置，最終實現節(jié)點的熱控。

3.4 能量均衡的路由技術

由于無線傳感器網絡節(jié)點的能量有限，為保證整個網絡的長期穩(wěn)定工作，采取一種能量均衡的路由技術，提升整個網絡的生存周期。當無線傳感器網絡規(guī)模較大時，網絡中的一個節(jié)點采集的數據必須經過其余幾個節(jié)點的轉發(fā)才能到達匯聚節(jié)點。實現轉發(fā)功能的節(jié)點稱為簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點的能耗通常較大，因此必須定期地輪換簇頭節(jié)點，避免某個固定節(jié)點的癱瘓。通過采用定期的節(jié)點剩余能量評估，動態(tài)選擇簇頭節(jié)點，實現整個網絡的能量均衡，提升無線傳感器網絡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)點技術可行性分析。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、電簾除塵技術和太陽能電池技術的解決措施，提升了無線傳感器網絡節(jié)點的月表環(huán)境適應性。其中，主動/被動熱控技術和太陽能電池技術分別借鑒載人飛船，已在軌飛行驗證。電簾除塵技術也已經應用于太陽能電池板清潔，并且國內已經針對采用電簾除塵技術對嫦娥三號太陽電池陣的除塵效率進行了研究[13]。

(2)無線傳感器網絡的組網技術可行性分析。無線傳感器網絡在地面已經廣泛應用于無人區(qū)測試，如著名的大鴨島試驗，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，可以解決電池長期工作問題，提升網絡的生存周期，最長可以連續(xù)工作2年。

(3)地月通信技術可行性分析。嫦娥系列探測器使地月的深空通信技術得到充分驗證?；谠虑蛑欣^的地月通信技術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)星的設計方法，具有實現方式較為簡單、理論難度低的優(yōu)點?；诘卦缕絼狱c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。

4.2 優(yōu)勢分析

應用無線傳感器網絡的月表環(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、探測時間、系統(tǒng)可靠性、成本等方面，比傳統(tǒng)的高光譜遙感、雷達遙感、月球車、月球機器人、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 結束語

針對月表的特殊環(huán)境，本文提出一種應用無線傳感器網絡的月表環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)構想，可實現對月表環(huán)境的長期無人監(jiān)測。針對無線傳感器網絡節(jié)點進行模塊化設計，采用太陽能電池設計實現節(jié)點的可持續(xù)工作；采用防月塵模塊和電簾除塵技術，防止節(jié)點被月塵掩埋；通過設計節(jié)點的被動熱控模塊和主動熱控模塊，保證節(jié)點適應高低溫環(huán)境。為提高無線傳感器網絡的生命周期，采用基于能量均衡的路由技術。針對月表環(huán)境長期無人監(jiān)測系統(tǒng)，設計了月表-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絡的匯聚節(jié)點，實現對無線傳感器網絡獲得數據的搜集和轉發(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)可為我國未來進行月表探測活動提供參考。

作為一種系統(tǒng)構想，本文提出了可能采取的系統(tǒng)架構及一些關鍵的支撐技術。今后，還要進一步開展詳細設計與論證，尤其是結合應用微機電技術和先進無線射頻技術，論證無線傳感器網絡節(jié)點的體積、質量、功耗，與通過月球著陸器進行月表布撒節(jié)點的方案，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