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把传统卫星压缩成电路板让天地空互联“小不点”卫星藏着大能量

  如果有了它,“一带一路”上货物、人员等运输便有了信息安全保障:如果有了它,危险偏远区域也能精准定位搜救目标……

  10月31日至11月1日,亚太空间合作组织(APSCO)微小卫星大赛在西安举行,来自亚太地区的35支参赛队同台竞技,一颗颗酷炫前沿、脑洞大开,却又有着实际应用价值的微小卫星齐聚于此。国防科技大学的“面向陆海空天的4S物联网立方星载荷”(以下简称4S)项目脱颖而出,获得一等奖。

  4S个头很小,由6块电路板组成,体积约1.5升,体重1.2公斤,重量就像一个大萝卜。它属于卫星上的一个重要零部件载荷,类似于平常使用的路由器,或者像连接智能家居的一个终端。一开始,4S亮相于比赛现场时,并没有引起评委们太多注意。

  如何在短时间内全方位展示4S陆海空天多节点的物联属性?国防科大代表队决定从实际运用场景为切入点介绍。

  “如果类似MH370事件的人员搜救引入4S,它能通过提供飞机位置和航迹信息确定坠落点,联系搜救海域民用船舶辅助搜救,探测具体搜救海域环境信息,搜集被救援者生命体征,为紧急救援提供全系统的解决方案。”比赛现场,负责答辩的队员李星辰用流利的英语介绍。

  答辩顺利结束,演示环节也非常重要。当国防科大参赛队对西安咸阳国际机场的飞机起降监测进行演示时,场下测试没问题的作品突然“掉链子”。一秒、两秒……会场所有人都盯着大屏幕,却没有任何信号。队员们自我鼓励:没信号只是因为附近恰巧没有飞机经过。果然,等到第40秒的时候,地图上出现了一个绿色的飞机位置标志。队员余孙全马上介绍:“请大家看地图上方,这里有一架飞机刚从跑道上起飞。在信号屏蔽如此严重的会议室里,我们的载荷依然收到了来自咸阳机场的飞机信号……”顿时,现场响起雷鸣般的掌声。

  演示结束后,亚太空间合作组织秘书长、本次评委会主评委李新军感慨:“我一直以为这个作品只是模型,它竟然是功能如此强大的实物!”

  首先,4S背后有一支精通电子通信、机械设计、航天力学等多学科的、优势互补的参赛队。他们分别是:指导老师——国防科技大学空天科学学院微纳卫星工程中心副研究员陈利虎、讲师李松亭,博士研究生余孙权、闫振国、李星辰,硕士研究生李志远、陈荣。

  队伍有了,定什么创意方向?这是关键的第一步。为此,大家展开了激烈讨论,最后,是两位指导老师的话征服了大家:“卫星平台五花八门,但最终载荷为王!”即要用尽可能小的体积和重量实现尽可能多的功能,让卫星成为“多面手”。

  队员们对即将要到来的这位宇宙“新生儿”命名为“面向陆海空天的4S物联网立方星载荷”,小名“4S载荷”。何为4S?它集成了船舶监控的AIS系统、飞机监控的ADS-B系统、传感器数据收集的DCS系统、用于人员搜救的ESR系统四大功能系统,因为每个子系统的英文缩写中均包含字母S,所以称4S。

  4S是个颇有壮心的项目,在传统卫星中,4S系统中的每一部分都是独立的分系统,是4颗卫星才能实现功能。而4S却要把一颗卫星压缩成一块电路板,在逼仄的空间内集成多功能。

  其实这种集大成的创意并非没有人想到,只不过实践难,电路板之间的信号,由于不兼容会互相干扰打架,所以大家都“绕行”了。队员们苦苦思考解决问题的方案。余孙全采用功能堆栈的方式,将每个“S”载荷微缩到线路板上,然后再多层堆栈在一起,这时电磁兼容便出现问题了,每个模块单独运作良好,联合运行,总有模块的性能会急剧下降。队员们对所有元件逐个分析,对每一个焊点的信号反复测试,90101.com。然而一无所获。

  “你们应该在谐波干扰上多找找原因。”在指导老师的提醒下,队员们经过多次实验,最终通过一次次优化射频与数字电路的隔离布局,给小米般大小的敏感电路加屏蔽罩,4S终于能和谐共处。

  此外,为了能极大缩减星载荷体积,队员们采用了卷尺作为天线厘米,如果不用卷尺,体积重量显然要增大。而采用卷尺,因为其具有良好弹性,当进入空间轨道时,卷尺自动弹开,完全可以满足正常工作。

  4S既有形体轻盈的优势,也有着广泛的实用价值,这才能让它在比赛中脱颖而出。

  “这项作品的实际应用非常广泛,它可以实现全球船舶、飞机、集装箱、高铁,以及地面各种传感器,海洋的浮标、潜标,还有我们人员的腕表、手持机等,包括飞机的应急搜救装置等各类终端发送的信息搜集,应用非常广泛。”陈利虎介绍。

  李星辰介绍:“4S实现了更加多元的信息互融,更低成本的航天覆盖。它可以连接地面上所有发出这些信号的实体,将飞机、轮船,以及多功能的传感器,用于灾害探测的一些传感器,还有人员救援等等这些信号集中在一起。我们在控制这些实时位置的同时,又能够侦测到它们实时反馈的信号。这将让我们未来实现天、地、空互联,成本大大降低。”

  “这是我看到的第一个实现天基物联网概念的实物作品。谢谢你们,做到了我们一直想做的事情!”亚太空间合作组织秘书长李新军对4S的评价很高,他觉得在未来,4S能在“一带一路”实现商品、物流、人员大范围运载,通过天基来进行保障。

  本次微小卫星大赛的主题是“和平利用太空,探索浩瀚宇宙,实现人类共同梦想”,旨在激发全球高校,尤其是“一带一路”沿线国家高校学生探索航天的热情,带动国际高校空间合作深入发展。获奖的国防科大的队员们清醒地认识到,要推进作品的实用化和型谱化,早日构建起覆盖陆海空天的天基物联网星座,他们还有更长更艰难的路要走。

  “未来,我们希望4S能为开展天基物联网应用领域的探索提供技术支撑,形成真正覆盖全球的物联网产品,广泛服务于‘一带一路’沿线国家。”李星辰说。

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