《国科大》采访行星遥感团队

2014/02/01 |编辑| 【大 中 小】 【关闭】

     转载《国科大》2014年第1期:

    “遥感科技在月球探测中大有可为”—访中科院遥感与数字地球研究所行星遥感团队。

     2013 年 12 月 14 日晚,“嫦娥三号”在月球正面虹湾以东的地区平稳着陆,成功实现了我国航天器首次在地外天体软着陆。北京航天飞行控制中心指挥大厅内一片欢腾,人们不禁相互握手拥抱,庆祝这一历史性的成果。此时此刻,有一部分工作人员来不及欢呼,便立即投入到紧张的着陆器定位制图工作中,以最快的速度向全世界发布“嫦娥三号”的具体位置及周围地形,并为两器分离提供后续决策支撑——他们正是来自中国科学院遥感与数字地球研究所行星遥感团队的师生们。

参研“嫦娥三号”任务

    “遥感地球所大部分遥感研究和应用是针对地球,我们行星遥感团队重点研究月球和行星遥感。”行星遥感团队的负责人邸凯昌研究员向记者介绍道。在嫦娥三号任务中,行星遥感团队通过北京航天飞行控制中心参研测控系统核心工作的“遥操作”系统,包括利用立体相机进行地形的三维重建、月球车视觉定位和路径规划等。凭借在遥感制图和导航定位方面的技术积累,行星遥感团队从地形重建和制图定位两方面为“嫦娥三号”遥操作工作提供了有力的技术支撑。

    一方面,由于月球表面的地形起伏,并伴随未知的大大小小的撞击坑、石块等障碍, “玉兔号”月球车在月球上的每一步行驶都可能面临危险,于是,准实时精确地重建“玉兔”周围的三维地形、计算地形坡度、识别可能的障碍,支持合理的路径规划以确保“玉兔”安全行驶显得至关重要。实际运行过程中,“玉兔号”每行驶一段距离就要停下来用导航相机拍摄周围环境以确定下一步行走的路线;由于车轮打滑等因素的影响,其实际停泊位置与规划的停泊点位置会有所不同,我们通过视觉定位技术精确地确定每个停泊点的实际位置,以此来修正遥测结果和行驶路线。高精度三维重建和视觉定位技术相结合,为“玉兔”的安全行驶提供了有力的技术支持。

    另一方面,行星遥感团队采用精确处理后的“嫦娥二号”高分辨率影像作为底图,在着陆器降落后迅速将降落过程中拍摄的序列降落影像与底图配准,从而在卫星影像上快速定位“嫦娥三号”。 12 月 25 日美国月球侦察轨道器 (LRO) 卫星过境时拍摄到了“嫦娥三号”,“通过对比发现我们定位的着陆点与 LRO 影像上直接观测并公布的位置点几乎重合 ( 偏差约 1 个像素 ) ,侧面验证了我们对着陆点的定位是非常准确的”。

    回顾此次参研经历,曾参与美国“勇气号”和“机遇号”火星车探测的邸凯昌研究员感慨万千:“着陆那天晚上,一颗心在悬着,如果着陆不安全,后面的都没用了,着陆成功的那一刻,内心很激动。十年前在美国,我也经历过这样的时刻,那时我觉得自己很幸运,作为外国人能参与到火星探测重大任务中。但在中国,更多地感到的是自豪,这种自豪感不是 SCI 文章能带来的,更是因为研究成果被实实在在地应用到了国家的重大工程中。”

“又赠送一个功能”

    由于有技术积累和工程经验,行星遥感团队从几个竞争队伍中脱颖而出,通过北京航天飞行控制中心参研“嫦娥三号”任务。为了更好地测试和验证关键技术,团队自己搭建了一个月球车模型,配备有立体相机和双自由度云台等,并且可以翻越障碍,在怀来的天然沙漠、永定河河谷、十三陵地区等地进行多次实验测试。所开发的软件也成功通过了工程任务中的内外场测试。“应用在‘嫦娥三号'任务中遥感制图和导航定位都是我们团队研发的相关技术中最成熟的部分,我们还有一些更先进的技术,可以用于长距离自主导航和智能化探测。新技术在测试,如果成熟了,希望将来能够应用”,邸凯昌介绍道。

    对于项目需求的前瞻意识也成为了团队能够圆满并超额完成任务的有力武器。团队的刘召芹副研究员主要负责参研任务中的软件开发部分,他说:“虽然我们是此次任务当中的外协单位,但是我们不能把自己放在辅助位置,得把自己放在整体工程上,有全局意识,不仅仅是开发软件,而是为工程设计软件。比如遥操作成果制图系统有些可能用到的功能在需求中没有明确提出,我们也要考虑到并做好充分准备”, “登陆第二天,领导问能不能把两个轮子的轨迹画出来,我们想到了前面,做了平行线功能,马上就可以拿出结果,否则让领导等结果是很着急的”,刘召芹向记者描述当时的场景,诸如此类的例子还有许多,除去应急任务,在利用“玉兔”的全景相机拍摄的影像进行三维重建过程中,由于附近有着陆器,一片地形就高起来了,出现了错误,“而我们的软件刚好开发有地形编辑功能,直接处理了这个问题”,刘召芹介绍道。虽然是锦上添花的临时需求,他们也提前想到了,“大家都笑说,我们怎么又赠送了一个功能”,虽然经历了连续三个月高强度的现场代码测试,这位年轻的副研究员脸上仍难掩喜悦和自豪。

    据了解, 2000 年,团队负责人邸凯昌曾在美国先后进行博士后和研究员的研究工作,并于 2004 年参与美国“勇气号”和“机遇号”火星车探测任务, 2008 年入选中科院“百人计划”回国。他认为,在美国积累的经验对参研“嫦娥三号”相关任务有很大帮助,但“我们不是完全的照搬,因为需求不一样。火星距地较远,通信延迟很大,一天只上载一次指令;而月球上的延迟仅一两秒,数据下载和指令上载比较频繁,要求我们不论完成什么任务都要很快。而最后结果证明,我们开发的新系统速度更快、在精度和自动化方面也有新的突破”。

“遥感技术在月球探测中大有可为”

    “我们不仅做关键技术研发支持工程任务,也进行月球和行星科学研究”。 2013 年,行星遥感团队与美国普渡大学 H · Jay Melosh 院士及其团队合作完成的月球撞击坑研究成果在国际著名期刊《 Nature Geoscience 》第 6 期上发表,文章第一作者是团队副研究员岳宗玉,文章内容为:一些月球撞击坑的中央峰中,存在着和周围不一样的矿物质——橄榄岩,传统观点多认为中央峰的橄榄岩来源于月壳深处甚至月幔,通过陨石撞击带到月球表面,而该项研究利用遥感观测数据与撞击过程数值模拟发现,当陨石在月表的撞击速度低于 12 km/s 时,大部分陨石在熔融后可以残留下来,而且在撞击坑的后期改造过程中主要积聚在中央峰;这不仅以定量化的方式分析了哥白尼撞击坑中央峰物质的可能来源,也为寻找可能的陨石残留物提供了关键信息。研究人员以第一单位、第一作者在《 Nature Geoscience 》上发表论文,这在遥感地球所是一个突破。该文经多家国际科技媒体的广泛报导和转载,被认为是行星科学研究的重大发现,为探索月球形成初期的物质成分提供了可能,具有重大意义。

    邸凯昌进一步总结道,遥感技术在月球探测中的意义不仅在于工程本身的支持,还有探测数据的科学应用。通过遥感的手段,进行月球科学和比较行星学的研究,可以帮助我们更好地认识地球。比如在“嫦娥三号”任务当中,遥感技术不仅可以支持着陆器和巡视器完成工程任务,着陆器及巡视器返回的多种数据在遥感领域还有许多重大的研究价值。“我们行星遥感团队的理念就是以地球观测的方法技术为基础,将取得的共性技术成果应用到月球,到其它行星上去,并根据与地球观测的不同特性进行拓展,进行行星科学研究并支持工程任务的实施。遥感技术在月球探测中大有可为”。“学生们都说,我们脚踏实地,仰望星空。我们是在真正地仰望星空”,他幽默地说道。

“没有学生叫我老板”

    在师生关系上,同样也是博士生导师的邸凯昌研究员也有自己见解:“科研中,我让学生放手去做,自由发挥。在涉及工程任务时,则由阶梯领导结构严格把握时间节点。”在管理学生方面,邸凯昌比较民主,他说,“没有学生叫我老板,如果叫的话我会很反感。老师用学生,更要培养学生,师生不应该是老板员工的关系。学生毕业后有的想去高校、有的想去公司,我们会考虑其特点指导他们的职业规划,让他们愉快而有收获地度过研究生阶段。”

    行星遥感团队由 6 位职工和 16 位硕、博士生构成。“参研‘嫦娥三号'这么重大的项目,让学生参与,放心吗?”当被问及此,邸凯昌非常肯定地说道:“我们的学生都是自己带出来的,以前都做过相关测试,职工负责总体设计,写关键代码,学生多是辅助的。有些事情我们自己做可能比学生做还要快,但是那样对学生没有培养和锻炼,我们是个团队,人人为我,我为人人,而确实经历任务后,我们明显感觉到了学生的进步”。有的学生本来不想读博士,因为参与了“嫦娥三号”任务,感受到了所研究内容的价值,对科研产生了热情和兴趣。家长也说,有这么好的环境和机会,一定要读完博士。

    对学生进行分工时,既考虑到学生的特长,也要尊重他们的想法。“都是做开发的,有的对 C++ 比较熟,就做基础开发,有的对二次开发比较熟,就做后续的开发,也有学生后来自己商量互换的,这些我们都允许”,邸凯昌说,“这是双选,刚开始都会有磨合期。我们组里有 QQ 群,会经常交流。尽量让学生做自己擅长做的,而且愿意做的”。

    谈及导师,硕士三年级的学生孙义威说:“邸老师没有架子,不论什么事都是和你商量,而不是命令你。一次在沙漠做实验,天气非常寒冷,为了实验顺利,他也一直和我们一起做实验。‘嫦娥三号'发射成功那晚,他和我们一起熬夜值班。任务执行过程中晚上值班是很累的,他也经常陪我们”。“跟邸老师两年了,他为人特别好,特别有涵养,有时给我们讲老子庄子,他知识面很广,给人感觉不是那么高高在上。对我们写论文的指导也是从头到尾,每次开例会,他首先会问每个学生最近的困难是什么?我们团队氛围也很好,大家经常一起打篮球,邸老师投篮很准。”博士二年级的学生李力这样说到。

    由于月夜气温过低会损坏仪器,“嫦娥”和“月兔”均是在月昼工作,月夜休眠,而月球的一天大概相当于地球的一个月,每逢月昼,团队师生就要开始 24 小时三班倒的轮值,每个人交替值日班和夜班,孙义威感到“生物钟很混乱,但是很幸运,很自豪”。而李力在接受记者采访完后,就急匆匆赶往北京航天飞控中心, 7 点钟他要准时交接夜班。

    夜幕悄然降临,行星遥感团队的师生们在自己的岗位上默默守望着嫦娥……