李粟 李鯤鵬 科技日?qǐng)?bào)記者 王健高
7月23日12時(shí)41分，我國(guó)首次火星探測(cè)任務(wù)“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)成功發(fā)射，開(kāi)啟了瑰麗壯美的火星之旅，邁出了我國(guó)自主開(kāi)展行星探測(cè)的第一步。
在這次“天問(wèn)”任務(wù)中，青島科技大學(xué)作為山東省唯一一所參與火星探測(cè)任務(wù)的單位，為“天問(wèn)一號(hào)”探測(cè)器精準(zhǔn)、安全地著陸提供技術(shù)護(hù)航。
“小團(tuán)隊(duì)”做出“大科研”
在青島科大自動(dòng)化與電子工程學(xué)院樓內(nèi)，“藏”著一個(gè)并不知名的研究所。這就是承擔(dān)火星探測(cè)器精準(zhǔn)著陸自主導(dǎo)航技術(shù)研究基礎(chǔ)的主體——自主導(dǎo)航與智能控制研究所，成立17年來(lái)，作為國(guó)內(nèi)較早研究自主導(dǎo)航的高校單位，由邵巍、于鐳、曹夢(mèng)龍、姚文龍等老師組成的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從2012年起，用了近5年的時(shí)間，參與完成了我國(guó)首個(gè)專(zhuān)注于深空探測(cè)的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)。這個(gè)由北京理工大學(xué)、北京控制工程研究所、北京航空航天大學(xué)、青島科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等10家單位共同承擔(dān)的研究項(xiàng)目“行星表面精確著陸導(dǎo)航與制導(dǎo)控制問(wèn)題研究”，就是要確保探測(cè)器通過(guò)自主導(dǎo)航進(jìn)行安全、精確地著陸，為我國(guó)火星探測(cè)計(jì)劃的實(shí)施奠定技術(shù)理論基礎(chǔ)。
研究所副所長(zhǎng)、項(xiàng)目負(fù)責(zé)人邵巍教授表示，青島科技大學(xué)承擔(dān)的項(xiàng)目子課題——“行星表面特征提取跟蹤與快速運(yùn)動(dòng)估計(jì)方法”，主要針對(duì)火星著陸末端，利用地表圖像進(jìn)行特征提取跟蹤并進(jìn)行視覺(jué)自主導(dǎo)航。團(tuán)隊(duì)的研究成果“曲線特征匹配光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)”得到了原國(guó)家航天局局長(zhǎng)欒恩杰院士及我國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師吳偉仁院士等專(zhuān)家的認(rèn)可，為我國(guó)首次火星探測(cè)過(guò)程中著陸方案的論證及設(shè)計(jì)提供了有力的技術(shù)支撐。
據(jù)自主導(dǎo)航與智能控制研究所執(zhí)行所長(zhǎng)于鐳介紹，2004年成立了中國(guó)宇航協(xié)會(huì)深空探測(cè)技術(shù)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)，召集了部分高校和航天系統(tǒng)研究所等研究機(jī)構(gòu)共同開(kāi)展相關(guān)研究，青島科技大學(xué)從最初就參與其中。研究所在該領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了近20年的探索，目前團(tuán)隊(duì)還承擔(dān)著國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的子課題，開(kāi)展小行星探測(cè)的前期研究工作，努力為今后的小行星探測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面的突破。
“小技術(shù)”解決“大問(wèn)題”
青科大的技術(shù)成果主要作用于探測(cè)器著陸階段，這是整個(gè)火星探測(cè)任務(wù)最為關(guān)鍵的階段之一，直接決定了探測(cè)任務(wù)的成功與否。
火星探測(cè)器著陸過(guò)程中，大氣環(huán)境十分復(fù)雜，動(dòng)力學(xué)環(huán)境也存在不確知等情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)高精度導(dǎo)航極為困難。火星與地球距離遙遠(yuǎn)，探測(cè)器與地球之間的通信存在至少10分鐘的時(shí)間差。這意味著，探測(cè)器著陸時(shí)可能與地球“失聯(lián)”，一旦失去控制就將撞毀在火星表面。這就要求探測(cè)器在著陸階段必須具有自主導(dǎo)航、控制和障礙規(guī)避的能力。
“利用地表圖像進(jìn)行特征提取跟蹤，并進(jìn)行自主導(dǎo)航是完成火星自主、精確、安全著陸任務(wù)要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。”邵巍告訴記者，青科大的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了讓探測(cè)器利用地表圖像進(jìn)行特征提取、跟蹤，并據(jù)此完成著陸段自主視覺(jué)導(dǎo)航。這不僅是完成著陸器自主導(dǎo)航的重要手段，也將在很大程度上解決我國(guó)行星探測(cè)自主、安全、精確著陸任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。
在他們的研究理論支撐下，探測(cè)器在著陸段可以利用光學(xué)相機(jī)獲取火星表面圖像，并提取星表特征點(diǎn)、隕石坑、山脊、溝壑等作為導(dǎo)航陸標(biāo)，通過(guò)跟蹤這些特征并結(jié)合慣性導(dǎo)航信息，可以對(duì)自己的位置、速度、姿態(tài)等進(jìn)行估計(jì)，從而完成精確著陸。
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