CN109490970A - 一种行星表面探测方法 - Google Patents

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张雅琳
林川
罗鹏
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黄才
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丁凯
夏奕
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Abstract

本发明涉及一种行星表面探测方法，包括：S1.通过行星着陆器在行星表面随机布洒大量无线传感器网络节点，节点之间通过自组织形成网络；S2.无线传感器网络节点根据配置的传感器实时监视行星表面环境参数，并将监视结果通过多跳的方式传递给行星着陆器；S3.行星着陆器对接收数据进行数据融合，并将处理后数据通过无线链路发送给中继卫星，中继卫星将数据转发给地球的地面接收设备进行处理，获得行星表面的实时环境参数；S4.地面通过反向链路发送对行星表面无线传感器网络的控制信息。根据本发明的行星表面探测方法解决了传统微波探测无法近距离获取环境参数的缺点以及行星车、宇航员探测环境适应难度大、探测时间空间受限的缺点。

Description

一种行星表面探测方法
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种行星表面探测方法。
背景技术
行星探测具有重要的军事战略意义，目前国际上的主要航天大国和组织都围绕行星探测陆续开展了一系列探月活动。人类对行星科学探测的探测方式从早先的飞越环绕行星、硬着陆发展为后来的软着陆、行星车星面巡游以及宇航员实地考察；探测技术从早先的可见光、红外发展为现在的全月微波探测。探测的内容涵盖行星影像图的数据处理和成图，利用高光谱遥感、雷达遥感手段探测行星表面矿物质，发射行星机器人实现行星表面软着陆，获取现场影像和行星土壤采样分析。上述探测手段从一定程度上获取了行星表面信息，为人类认知行星提供了重要参考，但存在明显缺点。通过可见光、红外、微波探测行星表面环境，无法通过近距离获取实际样本参数，存在观测结果误差大的缺点。通过行星车软着陆方式进行行星表面探测，存在探测范围局限，受地形限制，探测参数回传难度大，单点故障风险高的缺点。通过宇航员实地考察，存在行星表面环境适应难度大，探测时间空间均受限的缺点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种行星表面探测方法，解决传统微波探测无法近距离获取环境参数的缺点以及行星车、宇航员探测环境适应难度大、探测时间空间受限的缺点。
为实现上述发明目的，本发明提供一种用于行星表面探测方法，包括：
S1.通过行星着陆器在行星表面随机布洒大量无线传感器网络节点，节点之间通过自组织形成网络；
S2.所述无线传感器网络节点根据配置的传感器实时监视行星表面环境参数，并将监视结果通过多跳的方式传递给所述行星着陆器；
S3.所述行星着陆器对接收数据进行数据融合，并将处理后数据通过无线链路发送给中继卫星，所述中继卫星将数据转发给地球的地面接收设备进行处理，获得行星表面的实时环境参数；
S4.地面通过反向链路发送对行星无线传感器网络的控制信息。
根据本发明的一个方面，所述无线传感器网络节点采用低速率、低功耗的IEEE802.15.4协议进行组网，形成无线传感器网络。
根据本发明的一个方面，所述无线传感器网络节点采用太阳能电池供电，并且配置有自动除尘装置，防止行星表面尘埃掩埋太阳电池帆板导致发电失败。
根据本发明的一个方面，所述无线传感器网络节点采用主动热控设计及被动热控设计，所述被动热控设计通过对传感器节点进行隔热封装实现保温绝热；
所述主动热控设计通过在夜间低温时刻利用太阳能电池能量对节点进行主动加热，保证节点工作温度处于正常范围。
根据本发明的一个方面，所述无线传感器网络节点采用自身配置的传感器，对行星表面的温度、湿度、压强等环境参数进行测量，并将监视结果通过多跳的方式传递给行星着陆器。
根据本发明的一个方面，在S3步骤中，所述行星着陆器对接收数据，按照D-S证据理论进行数据融合。
根据本发明的一个方面，在所述S4步骤中，所述控制信息包括无线传感器网络节点的开机、关机、休眠以及采集周期设置。
根据本发明的一个方案，步骤S1中，无线传感器网络包括若干普通传感器节点和行星着陆器(汇聚节点)组成。若干普通传感器节点通过自组织形成网络，通过自身携带的传感器检测感知环境信息，按照能量最优的路由策略逐跳地将采集信息传递到汇聚节点。汇聚节点，即行星着陆器，具有较强的数据存储、处理和通信能力，是连接无线传感器网络和行星中继卫星的网关。汇聚节点作为协议转换的通信桥梁，一方面将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络采集的信息，转换为IP over CCSDS格式，发射到行星中继卫星，再经过地球中继卫星，回传到地球地面网络。另一方面，汇聚节点接收地球控制中心发送的IPover CCSDS格式的控制指令信息，并转换为IEEE802.15.4格式的指令信息发送给无线传感器网络。
根据本发明的一种方案，现有无线传感器网络节点无法适应行星表面的特殊工作环境，对行星表面监测的无线传感器网络节点按照模块化设计的思路进行了专门设计，见图3。无线传感器网络的处理器模块用来实现数据接收和数据融合。无线通信模块实现传感器节点之间的无线通信。传感器模块实现外界环境的感知，即数据采集。在上述传统的结构基础上，新增了主动热控模块和被动热控模块，增加节点的工作温度范围，适应行星表面的高温差环境。新增了防尘模块，提升节点的抗掩埋能力。改进了传统的蓄电池供电的能源模块，更改为太阳能电池模块，利用行星表面丰富的太阳能，实现节点的可持续工作。
根据本发明的一种方案，无线传感器网络节点按照功能分为普通节点、簇头节点和汇聚节点三类。普通节点的协议栈自顶向下包括应用框架层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层，其中应用框架层、应用支持层和网络层符合ZigBee规范的定义，数据链路层和物理层符合IEEE802.15.4标准。簇头节点的协议栈只包括网络层、数据链路层和物理层，遵循标准和普通节点一致。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的流程图；
图2示意性表示根据本发明的一种实施方式的行星表面探测系统图；
图3示意性表示根据本发明的一种实施方式的无线传感器节点图；
图4示意性表示根据本发明的一种实施方式的协议栈图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的用于行星表面探测方法的流程图。
如图1所示，根据本发明的一种实施方式，本发明的一种行星表面探测方法，包括：
S1.通过行星着陆器在行星表面随机布洒大量无线传感器网络节点，节点之间通过自组织形成网络；
S2.无线传感器网络节点根据配置的传感器实时监视行星表面环境参数，并将监视结果通过多跳的方式传递给行星着陆器；
S3.行星着陆器对接收数据进行数据融合，并将处理后数据通过无线链路发送给中继卫星，中继卫星将数据转发给地球的地面接收设备进行处理，获得行星表面的实时环境参数；
S4.地面通过反向链路发送对行星无线传感器网络的控制信息。
在本实施方式中，环境监测信息通过众多传感器节点逐级地传递即为多跳的方式。
图2示意性表示能够实现根据本本发明的行星表面探测方法的系统构造图。
如图2所示，根据本发明的一种实施方式，行星为地外行星(如，火星)。在本实施方式中，无线传感器网络节点采用低速率、低功耗的IEEE802.15.4协议进行组网，形成无线传感器网络。
根据本发明的一种实施方式，
无线传感器网络节点采用太阳能电池供电，并且配置有自动除尘装置，防止行星表面尘埃掩埋太阳电池帆板导致发电失败；
无线传感器网络节点采用主动及被动热控设计，被动热控设计通过对传感器节点进行隔热封装实现保温绝热；
主动热控设计通过在夜间低温时刻利用太阳能电池能量对节点进行主动加热，保证节点工作温度处于正常范围。
无线传感器网络节点采用自身配置的传感器，对行星表面的温度、湿度、压强等环境参数进行测量，并将监视结果通过多跳的方式传递给行星着陆器。
根据本发明的一种实施方式，在S3步骤中，
行星着陆器对接收数据，按照D-S证据理论进行数据融合。
根据本发明的一种实施方式，在S4步骤中，包括为地面通过反向链路发送对行星无线传感器网络的控制信息，控制信息包括无线传感器网络节点的开机、关机、休眠、采集周期设置。
在本发明中，S1步骤中，无线传感器网络包括若干普通传感器节点和行星着陆器(汇聚节点)组成。若干普通传感器节点通过自组织形成网络，通过自身携带的传感器检测感知环境信息，按照能量最优的路由策略逐跳地将采集信息传递到汇聚节点。汇聚节点，即行星着陆器，具有较强的数据存储、处理和通信能力，是连接无线传感器网络和行星中继卫星的网关。汇聚节点作为协议转换的通信桥梁，一方面将基于IEEE802.15.4的无线传感器网络采集的信息，转换为IP over CCSDS格式，发射到行星中继卫星，再经过地球中继卫星，回传到地球地面网络。另一方面，汇聚节点接收地球控制中心发送的IP over CCSDS格式的控制指令信息，并转换为IEEE802.15.4格式的指令信息发送给无线传感器网络。
现有无线传感器网络节点无法适应行星表面的特殊工作环境，对行星表面监测的无线传感器网络节点按照模块化设计的思路进行了专门设计，参见图3。无线传感器网络的处理器模块用来实现数据接收和数据融合。无线通信模块实现传感器节点之间的无线通信。传感器模块实现外界环境的感知，即数据采集。在上述传统的结构基础上，新增了主动热控模块和被动热控模块，增加节点的工作温度范围，适应行星表面的高温差环境。新增了防尘模块，提升节点的抗掩埋能力。改进了传统的蓄电池供电的能源模块，更改为太阳能电池模块，利用行星表面丰富的太阳能，实现节点的可持续工作。
在本发明中，无线传感器网络节点按照功能分为普通节点、簇头节点和汇聚节点三类。普通节点的协议栈自顶向下包括应用框架层、应用支持层、网络层、数据链路层和物理层，其中应用框架层、应用支持层和网络层符合ZigBee规范的定义，数据链路层和物理层符合IEEE802.15.4标准。簇头节点的协议栈只包括网络层、数据链路层和物理层，遵循标准和普通节点一致。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种行星表面探测方法，包括：
S1.通过行星着陆器在行星表面随机布洒大量无线传感器网络节点，节点之间通过自组织形成网络；
S2.所述无线传感器网络节点根据配置的传感器实时监视行星表面环境参数，并将监视结果通过多跳的方式传递给所述行星着陆器；
S3.所述行星着陆器对接收数据进行数据融合，并将处理后数据通过无线链路发送给中继卫星，所述中继卫星将数据转发给地球的地面接收设备进行处理，获得行星表面的实时环境参数；
S4.地面通过反向链路发送对行星无线传感器网络的控制信息。
2.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，
所述无线传感器网络节点采用低速率、低功耗的IEEE802.15.4协议进行组网，形成无线传感器网络。
3.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，所述无线传感器网络节点采用太阳能电池供电，并且配置有自动除尘装置，防止行星表面尘埃掩埋太阳电池帆板导致发电失败。
4.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，所述无线传感器网络节点采用主动热控设计及被动热控设计，所述被动热控设计通过对传感器节点进行隔热封装实现保温绝热；
所述主动热控设计通过在夜间低温时刻利用太阳能电池能量对节点进行主动加热，保证节点工作温度处于正常范围。
5.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，所述无线传感器网络节点采用自身配置的传感器，对行星表面的温度、湿度、压强等环境参数进行测量，并将监视结果通过多跳的方式传递给行星着陆器。
6.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，在S3步骤中，所述行星着陆器对接收数据，按照D-S证据理论进行数据融合。
7.根据权利要求1所述的行星表面探测方法，其特征在于，在所述S4步骤中，所述控制信息包括无线传感器网络节点的开机、关机、休眠以及采集周期设置。
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