曹素芝，李昌浩，2，王厚鵬，2，孫 雪，2

(1.中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

1 引言

月球是離地球最近的唯一天然衛(wèi)星，月球探測不僅可以了解月球的成因、演化等信息，同時還為月球中各種稀缺資源的開發(fā)提供信息支撐。然而月球高真空、強(qiáng)輻射、晝夜溫差大等特性使得月球探測具有極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。目前許多國家和機(jī)構(gòu)都將月球探測作為深空探測的第一步，月球探測活動陸續(xù)開展。探測方式從飛越、環(huán)繞、硬著陸逐漸發(fā)展到軟著陸、月面巡視及航天員登月考察等。在這些方式中，對月球的遠(yuǎn)距離無接觸探測無法獲取實際樣本參數(shù)，觀測誤差較大。著陸月球探測的巡游式、站點式方案還存在覆蓋面積有限、實施復(fù)雜、部署周期長等不足。因此需要探索新的低成本、可快速實施的探測手段，具備可靈活擴(kuò)展、覆蓋面廣、長時間續(xù)航的探測能力，使其能夠完成對探測盲區(qū)的補漏覆蓋以及對目標(biāo)區(qū)域的快速應(yīng)急探測。

無線傳感網(wǎng)通過分布在檢測區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點獲取最直接、有效、真實的信息，并通過無線自組織的網(wǎng)絡(luò)傳遞信息。無線傳感網(wǎng)在國防和軍事、自然環(huán)境感知、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，其實時監(jiān)測、感知、采集和傳遞環(huán)境信息的能力已經(jīng)得到充分驗證。將無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到月面探測中，能夠?qū)崿F(xiàn)對巡游式、站點式探測的有益補充。

本文結(jié)合無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計理念，提出一種高效的月面分布式探測系統(tǒng)架構(gòu)。針對月表環(huán)境特性，設(shè)計單個物理探測節(jié)點，并基于各節(jié)點構(gòu)建分布式與集中式結(jié)合的月面靈巧無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。選取月球南半球面積約1000 km的典型區(qū)域進(jìn)行仿真，并在地面環(huán)境搭建仿真驗證系統(tǒng)，對分布式通信組網(wǎng)進(jìn)行初步功能與性能測試。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

月球探測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計需考慮月面環(huán)境、檢測對象和處理單元等特性。從節(jié)點模型和月面布局著手，依據(jù)數(shù)據(jù)處理流程構(gòu)建探測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框架，總體互聯(lián)關(guān)系如圖1所示。分散在月面的各傳感網(wǎng)絡(luò)組成感知節(jié)點層，實現(xiàn)智能感知和交互功能，包括信息采集與通信等。網(wǎng)絡(luò)接入層主要實現(xiàn)信息接入、傳輸和通信，關(guān)注實現(xiàn)月面探測網(wǎng)絡(luò)大范圍的覆蓋與信息共享。地月雙向通信層也是數(shù)據(jù)的處理層，完成探測信息的及時分析與科學(xué)研究，總體框架如圖2所示。圍繞數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理環(huán)節(jié)分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

圖1 總體互聯(lián)架構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the overall interconnection architecture

圖2 月面靈巧探測系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.2 Logic structure diagram of the lunar dexterous detection system

2.2 物理層

受月表特殊環(huán)境的影響，尤其是晝夜高溫差對探測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的正常工作提出了嚴(yán)峻考驗。物理節(jié)點承擔(dān)整個探測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集，是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。

通常，傳統(tǒng)探測器節(jié)點包括:①處理器模塊，能夠接收數(shù)據(jù)并實現(xiàn)數(shù)據(jù)融合；②無線通信模塊，完成傳感器節(jié)點之間的無線通信；③傳感器模塊，實現(xiàn)對外界環(huán)境的感知，即數(shù)據(jù)采集的功能；④能源模塊，由蓄電池為傳感器節(jié)點各部分提供能源。本文對月球表面靈巧探測器節(jié)點進(jìn)行模塊化設(shè)計，模塊組成及模塊之間的連接如圖3所示。

圖3 探測器節(jié)點設(shè)計圖Fig.3 Diagram of the detector node design

2.2.1 傳感器模塊

傳感器模塊可根據(jù)需求進(jìn)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，分別檢測月表溫度、月表紫外線強(qiáng)度，分析月壤成分以及探測月壤中的水冰成分等。

2.2.2 處理器模塊

處理器模塊的設(shè)計要求是低功耗、抗輻射、耐高低溫。計劃使用Cobham公司基于ARM Cortex-M0＋的宇航級單片機(jī)芯片UT32M0R500。該芯片提供多種電源控制模式，功能模塊可編程的使能和去使能，時鐘門控、升降頻等措施，為實現(xiàn)處理器模塊的低功耗和全狀態(tài)能耗優(yōu)化提供基礎(chǔ)和可能。

2.2.3 通信模塊

無線傳輸方式主要包括藍(lán)牙、WiFi、ZigBee、NB-IoT和LoRa。其中LoRa技術(shù)傳輸速率低，能耗、設(shè)計難度及制造成本均低于其他技術(shù)，適用于低速率、低功耗的工作場合，因此基于Semtech公司的新一代低功耗LoRa芯片SX1262(長距)，設(shè)計了通信模塊，實現(xiàn)分布式組網(wǎng)通信。

2.2.4 供電模塊

地面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點一般采用一次性電池供電，電量不足后可以通過更換電池實現(xiàn)持續(xù)工作。對于月面?zhèn)鞲衅鞴?jié)點需要設(shè)計一種新型的無人干預(yù)的供能手段，使無線傳感器在長期無人監(jiān)測的環(huán)境下仍能夠正常工作。無線靈巧傳感節(jié)點要實現(xiàn)長期免干預(yù)工作方式，重要的是利用應(yīng)用環(huán)境條件進(jìn)行續(xù)能和適當(dāng)存儲。目前，在月球和地面許多情形下，靜態(tài)節(jié)點最方便獲取且取之不盡的能源是太陽能；同時根據(jù)傳感節(jié)點周期性工作特點，以及考慮到通常儲能元件可充電次數(shù)(工作壽命)問題，結(jié)合有機(jī)超級電容和鋰離子電池或石墨烯鋰電池為傳感節(jié)點供電是一個可行的解決方案。該方案能夠在減少對鋰電池充電次數(shù)的同時，提供對鋰電池過度放電的保護(hù)措施，以延長鋰電池的工作壽命，達(dá)到利用太陽能提供長時間、無人干預(yù)的供電效果。

2.2.5 防輻射設(shè)計

傳感器運行環(huán)境為月面環(huán)境，可以通過增加外壁厚度設(shè)計，以滿足抗輻照設(shè)計要求。防輻射模塊使用電磁屏蔽體，能夠使內(nèi)部器件免受外界空間電磁場的影響；對于紫外輻射，一般的解決方法是選擇紫外吸收率很低的涂層。針對模塊的輻照性能，有效的加固措施是采用Al制外殼。Al的厚度為3 mm時，10年的輻照總劑量約為910 rad。

2.2.6 熱控設(shè)計

針對月球表面的超高溫與超低溫環(huán)境，通過多層封裝的方式將內(nèi)部溫度環(huán)境與劇烈變化的外部熱環(huán)境隔離，確保靈巧探測器工作在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。封裝方式如圖4所示。

圖4 靈巧探測器隔熱設(shè)計Fig.4 Thermal insulation design of the dexterous detector

多層隔熱材料由高反射率的反射屏和低熱導(dǎo)率的間隔層交替疊合而成，在保溫同時可提供隔熱效果。隔熱組件利用屏面的反射，對輻射熱形成較高的熱阻，在真空下具有極好的隔熱性能，其當(dāng)量熱導(dǎo)率理論上可低至5～10 W/(m·K)的量級。氣凝膠層主要通過氣凝膠加固保溫隔熱性能，氣凝膠具有優(yōu)異的防/隔熱性能與耐環(huán)境穩(wěn)定性，可承受1000℃以上的高溫。相變材料層利用熔化和凝固過程吸收和釋放潛熱的原理進(jìn)行溫度維持，適用于月面溫度周期性變化的環(huán)境。

2.2.7 防月塵設(shè)計

月塵具有粘附性、研磨性和滲透性等特點，可能會掩埋傳感器節(jié)點，從而對其太陽能發(fā)電和通信等功能產(chǎn)生影響。因此傳感器節(jié)點防月塵設(shè)計可有效降低月塵危害，如節(jié)點被掩埋造成通信不良，熱控涂層被遮蔽造成散熱功能異常等。

防月塵設(shè)計主要考慮以下2個方面:①應(yīng)避免傳感器節(jié)點被月塵掩埋，因此節(jié)點對月塵的壓強(qiáng)應(yīng)達(dá)到相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，同時節(jié)點的質(zhì)量應(yīng)盡量小，且底部的面積應(yīng)盡量大。為了滿足上述要求，需將節(jié)點封裝在一個半球形密封結(jié)構(gòu)里。半球形具有重心低、底面積大的優(yōu)點，能有效降低壓強(qiáng)，使節(jié)點不會陷落在月塵里；而且由于月面重力場較弱，節(jié)點也不會翻倒。另外，密封設(shè)計隔離了節(jié)點與月塵的接觸。②對探測器使用不粘材料進(jìn)行封裝。借鑒荷葉疏水原理，在其表面上增加具有小于月塵特征尺寸紋路的涂層，形成納米級的針床，能夠有效降低月塵顆粒與功能表面間的接觸面積，減弱月塵對傳感器表面的附著力，抑制月塵的附著。此外，還可以設(shè)置導(dǎo)電鍍膜，即在功能表面鍍一層超薄導(dǎo)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。

2.3 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。建立適合于月表特殊環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是研究載人月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的前提和基礎(chǔ)。首先對月表真空環(huán)境及探測需求進(jìn)行分析，通過分析地面成熟且具有可擴(kuò)展、可移動等優(yōu)點的無線組網(wǎng)技術(shù)，提出面向月表特殊環(huán)境的高可靠月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)(Reliable Lunar Smart-Sensor Network，R-LSN)架構(gòu)，該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新性地提出集中式和分布式相結(jié)合的組網(wǎng)方式。

高可靠月表靈巧傳感網(wǎng)絡(luò)如圖5所示，基于對月表特殊環(huán)境的分析，將其分為2類:適合直接部署移動式接入點(Mobile-AP，M-AP)及傳感節(jié)點的類平原地區(qū)和不適合直接部署移動式接入點及傳感節(jié)點的月表(如月坑)。結(jié)合這2類月表環(huán)境特點，重點探討如何進(jìn)行地形自適應(yīng)地快速部署月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)。

圖5 高可靠月表靈巧傳感網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.5 Diagram of the highly reliable dexterous sensor network on lunar surface

1)針對類平原地區(qū)，首先建立基于月表飛行器(月球車)的M-AP移動便捷部署方案。傳感器節(jié)點根據(jù)其所在的范圍，選擇接入具體的M-AP。M-AP節(jié)點根據(jù)其所在位置選擇直接接入月表骨干網(wǎng)絡(luò)還是采用多跳方式通過其他M-AP接入月表骨干網(wǎng)絡(luò)(如某個M-AP節(jié)點與月表骨干網(wǎng)絡(luò)距離較遠(yuǎn)或者有月山/月坑等阻隔時)。

2)針對不適合直接部署M-AP的月坑/月山地區(qū)，月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)通過自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行月坑/月山的探測，自組織網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點通過路由算法計算出匯聚節(jié)點(如邊緣節(jié)點)，坑內(nèi)/山上的探測信息通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)皆驴油獾腗-AP，MAP再接入到月表骨干網(wǎng)絡(luò)。對于實在無法覆蓋的巨大月坑，則采用坑周邊多個M-AP的聯(lián)合部署方式。

3)若月表骨干網(wǎng)支持，M-AP也可以直接與月球基地實現(xiàn)通信，兼容不同的體制與模式，以適應(yīng)月表基礎(chǔ)設(shè)施不同條件下的通信需求。

在可靠性方面，本文采用智能冗余備份的架構(gòu)來提高月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)的可靠性，冗余備份基站、冗余備份傳感器節(jié)點保持睡眠狀態(tài)，在網(wǎng)絡(luò)能夠正常工作時，不啟動備份節(jié)點；當(dāng)節(jié)點發(fā)生故障時，啟動備份節(jié)點，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可靠性。網(wǎng)絡(luò)正常工作的節(jié)點具備可以接入備份移動式接入點的能力，同時備份移動式接入點也具備與正常工作基站及月表骨干網(wǎng)絡(luò)通信的能力。

在低功耗方面，月表靈巧探測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用異步通信方式，當(dāng)其要發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成后可立即通信，可以降低同步網(wǎng)絡(luò)需要經(jīng)常喚醒的功耗。

2.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層是監(jiān)控系統(tǒng)頂層處理邏輯的實現(xiàn)，是響應(yīng)數(shù)據(jù)處理邏輯的最終單元。系統(tǒng)面向不同的物理監(jiān)測量所采集的信息格式與處理流程各不相同，為保證各數(shù)據(jù)加工的獨立性與安全性，在月球計算資源受限的環(huán)境下，應(yīng)用層采用Docker容器技術(shù)封裝各數(shù)據(jù)處理邏輯。Docker容器是一種輕量級內(nèi)核虛擬化技術(shù)，可通過namespace和cgroups實現(xiàn)進(jìn)程與資源的隔離。系統(tǒng)基于容器技術(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)監(jiān)測系統(tǒng)的處理邏輯規(guī)模，可有效提高天基資源利用率。

在應(yīng)用層中，處理主要分為解析存儲與異常響應(yīng)兩類。對月表溫度、磁場、光照等監(jiān)測對象，應(yīng)用層解析其通過網(wǎng)絡(luò)層傳輸回的數(shù)據(jù)，整理后統(tǒng)一記錄于后端數(shù)據(jù)庫，為載人探測與探月選址等提供分析數(shù)據(jù)。選用MySQL數(shù)據(jù)庫對系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，因為MySQL的長連接方式能夠有效保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。對于月震，太陽風(fēng)等敏感檢測量，應(yīng)用層實時響應(yīng)其動態(tài)變化，對采集的數(shù)據(jù)流作閾值分析，當(dāng)數(shù)據(jù)大于臨界值時，發(fā)出報警信息，并實時界面顯示。

3 仿真實驗與演示系統(tǒng)

為測試探測系統(tǒng)的覆蓋性和可用性，搭建了演示系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真，并測試其功能。

3.1 網(wǎng)絡(luò)實驗

3.1.1 數(shù)據(jù)來源

選用探月工程-數(shù)據(jù)發(fā)布與信息服務(wù)系統(tǒng)提供的嫦娥二號執(zhí)行月球探測任務(wù)期間的科學(xué)探測數(shù)據(jù)作為仿真地理環(huán)境建模的數(shù)據(jù)來源。

利用ENVI軟件對嫦娥二號探測數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取分析得到月面各點的海拔情況。經(jīng)過對月球DEM南半球圖的大致分析，選取了面積為23 350 m×58 300 m，同時具有2個大型月坑與類平原地形的一塊典型區(qū)域作為構(gòu)建月面分布式探測網(wǎng)絡(luò)的仿真場景。將M-AP節(jié)點和傳感器節(jié)點的通信半徑、部署間隔及漂移半徑設(shè)定為固定值進(jìn)行實驗，如表1所示。

表1 實驗參數(shù)Table 1 Experiment parameters /km

本文得到三維地形下的傳感器、M-AP與簇頭節(jié)點的三維分布與二維分布圖，如圖6、圖7所示，其中黑色點為隨機(jī)拋灑的傳感器節(jié)點，紅色點為隨機(jī)拋灑的M-AP節(jié)點，橘色點為中繼傳感器節(jié)點。

圖6 月坑與類平原區(qū)域的傳感器與M-AP的三維圖Fig.6 Three-dimensional diagram of the sensors and M-AP in moon craters and p lain-like areas

圖7 月坑與類平原區(qū)域的傳感器與M-AP的二維圖Fig.7 Two-dimensional diagram of the sensors and M-AP in m oon craters and p lain-like areas

圖8 月面?zhèn)鞲衅鞯挠行Чぷ骶嚯xFig.8 Effective working distance of lunar surface sensor

3.1.2 傳感器節(jié)點覆蓋率

基于Matlab得到月面?zhèn)鞲衅饔行Чぷ骶嚯x的3D立體模型，如圖8所示。根據(jù)每個節(jié)點周邊傳感器覆蓋個數(shù)，可得傳感器節(jié)點覆蓋率。

依據(jù)傳感器覆蓋范圍，對M-AP節(jié)點個數(shù)與覆蓋傳感器比例的關(guān)系進(jìn)行仿真，M-AP節(jié)點個數(shù)與覆蓋率關(guān)系曲線如圖9所示。仿真結(jié)果表明，當(dāng)M-AP節(jié)點數(shù)超過46時，覆蓋率能夠達(dá)到100%，總趨勢呈大致線性上升。

圖9 M-AP節(jié)點個數(shù)與覆蓋率關(guān)系曲線Fig.9 Relationship curve between the num ber of MAP nodes and coverage

3.2 演示系統(tǒng)

地面演示驗證系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示。探測節(jié)點集成后如圖11所示，形成以樹莓派為處理單元，集成數(shù)據(jù)采集與傳輸功能的探測器節(jié)點。探測器節(jié)點用于接收傳感器監(jiān)測的數(shù)據(jù)，探測器節(jié)點收集數(shù)據(jù)后通過LoRa局域網(wǎng)傳輸至簇頭節(jié)點，簇頭節(jié)點匯聚各探測器節(jié)點傳感器數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過LoRa送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點。網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過Socket將數(shù)據(jù)發(fā)送至PC端。PC將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫，通過演示節(jié)點展示給用戶。

為了驗證當(dāng)前地面演示驗證系統(tǒng)是否能正常工作，測試并獲取了空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、振動頻率等數(shù)據(jù)，測試記錄如表2所示。其中空氣溫濕度，土壤濕度測量均正確。期間通過改變傳感器明暗程度收到了相應(yīng)光照強(qiáng)度測量值。此外，實驗中使用振動傳感器，通過連續(xù)一段時間的檢測給出此時振動概率。時間戳即為記錄數(shù)據(jù)獲取時間。這里基于實驗室的環(huán)境，先將每臺機(jī)器時間同步，檢測當(dāng)前地面演示驗證系統(tǒng)從采集數(shù)據(jù)到PC端成功接收數(shù)據(jù)的時延、成功次數(shù)，并在不同的距離下進(jìn)行了測試，5 min內(nèi)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表3所示。結(jié)果表明該演示系統(tǒng)在一定距離內(nèi)的傳輸性能波動不大，較為穩(wěn)定。

圖10 地面演示驗證系統(tǒng)Fig.10 Ground demonstration and verification system

圖11 傳感器、LoRa通信及匯聚處理實物圖Fig.11 Photos of sensor，LoRa communication and convergence processing

表2 環(huán)境數(shù)據(jù)測試記錄表Table 2 Test recording table of environm ental data

表3 傳輸時延統(tǒng)計結(jié)果Table 3 Statistics of transm ission delay

4 結(jié)論

針對月表高真空、強(qiáng)輻射、晝夜溫差大等特性，本文設(shè)計了月面分布式組網(wǎng)及激光回傳網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的物理、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用3層結(jié)構(gòu)組成的月面靈巧探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以低功耗探測器為節(jié)點，構(gòu)建月面探測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過Docker容器技術(shù)封裝上層信息處理流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時處理。仿真實驗結(jié)果表明:該探測系統(tǒng)可有效覆蓋月面探測區(qū)域，并正確響應(yīng)數(shù)據(jù)檢測流程。

月面分布式組網(wǎng)探測是站點式、巡游式探測的有效補充，可以大大提高探測效率與覆蓋率，本文提出的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方案，經(jīng)仿真驗證具有良好的效果，為月面探測提供了可借鑒的技術(shù)路線。面向未來的月面應(yīng)用，還需不斷關(guān)注高可靠、低功耗的探測節(jié)點設(shè)計以及彈性靈活抗毀的月面分布式組網(wǎng)技術(shù)研究，為后續(xù)工程實施奠定基礎(chǔ)。