嫦娥三號(hào)月球軟著陸是中國航天器首次降落在地球以外的天體。如今,嫦娥三號(hào)落月已經(jīng)有一個(gè)多月的時(shí)間了,在這段時(shí)間里,其借助于自身所攜帶的機(jī)器視覺科學(xué)級(jí)相機(jī)獲得了大量的探測數(shù)據(jù),在觀天、看地、測月這三項(xiàng)探測目標(biāo)方面都取得了階段性的成果。
萬眾矚目的嫦娥三號(hào)任務(wù)中,激起人們巨大好奇心的有兩大看點(diǎn):探測器在月球安全軟著陸,以及釋放出月球車在月球表面進(jìn)行巡視探測。為了完成這兩個(gè)方面的探索,月球車的責(zé)任重大。探測器軟著陸月面后,著陸器和月球車分離。此后,將在月面巡視3個(gè)月之久的月球車由地面控制,38萬公里的距離。這也就是挑戰(zhàn)的另一個(gè)難點(diǎn)“巡視器的遙操作”,要完成月球車月面探測階段的月面地形建立、視覺定位、路徑規(guī)劃等遙操作任務(wù)。
這些都給測控通信系統(tǒng)應(yīng)急處置能力和飛行控制精度帶來了巨大而又前所未有的挑戰(zhàn),對天地協(xié)同互動(dòng)控制提出了極高的要求。
計(jì)算精度要求高
空間探測器進(jìn)行深空航行,必須通過測控通信系統(tǒng)才能和地球聯(lián)系并互動(dòng),測控通信系統(tǒng)好比是一根“風(fēng)箏線”,能精確定位探測器的位置,了解其工作狀態(tài),同時(shí)還可以發(fā)送指令告訴它要干什么。
和以往嫦娥一號(hào)和嫦娥二號(hào)任務(wù)不同,嫦娥三號(hào)在近月制動(dòng)、15公里降軌、動(dòng)力下降等過程中,地面的控制都是一次性完成,沒有可逆的機(jī)會(huì),也就是說,對每次控制的計(jì)算,要非常精確。
北京航天飛行控制中心專家介紹說,嫦娥三號(hào)的奔月、環(huán)月、落月和登月等飛控環(huán)節(jié)是環(huán)環(huán)相扣的。嫦娥三號(hào)探測器從入軌、奔月、近月制動(dòng)轉(zhuǎn)移到100公里圓軌道,從100公里圓軌道轉(zhuǎn)移到15×100公里軌道,再從15公里近月點(diǎn)開始動(dòng)力下降到月面,每一步控制都要考慮到對后一步控制的影響,為后續(xù)環(huán)節(jié)創(chuàng)造好的條件。
月球車遙操作十分復(fù)雜,月球車上的科學(xué)級(jí)相機(jī)先拍攝月球車所處的環(huán)境,測控系統(tǒng)再根據(jù)月球車實(shí)時(shí)傳輸?shù)膱D像,恢復(fù)出三維數(shù)字月面地形環(huán)境,并進(jìn)行路徑規(guī)劃,對行走和探測路線做出決策和控制。專家說,許多動(dòng)作都需要依靠地面的精密規(guī)劃,月面地形、光照條件、電池用量、月球車溫度都是規(guī)劃中需要考慮的因素。
精細(xì)定位難度大
為實(shí)現(xiàn)月球車月面行走和科學(xué)探測,測控通信系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新,尤其是在遙操作月球車進(jìn)行月面巡視和勘察過程中,用到了高精度月面視覺識(shí)別、月面巡視動(dòng)態(tài)規(guī)劃、視覺定位技術(shù)路徑規(guī)劃、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制和虛擬現(xiàn)實(shí)操作與控制等新技術(shù)。
據(jù)專家介紹,遙操作月球車有個(gè)特點(diǎn),對測控系統(tǒng)來說,將首次依靠“視覺”來完成定位工作。以往的探月任務(wù)中,測控通信基本上都是靠無線電定位,通過無線電信號(hào)來獲取位置信息測量數(shù)據(jù)。由于這次月球車在月面的最大移動(dòng)速度也就是每小時(shí)幾百米,靠無線電測量無法達(dá)到精細(xì)定位。月球車離開著陸器多遠(yuǎn),處于什么環(huán)境,主要靠視覺定位技術(shù)來確定。也就是利用月球車攜帶的多臺(tái)科學(xué)級(jí)相機(jī)拍攝圖像,然后實(shí)時(shí)傳到地面快速處理,恢復(fù)月球車所在的地形環(huán)境。地面遙操作人員將依據(jù)月球車周邊環(huán)境的立體圖像,根據(jù)探測目標(biāo)進(jìn)行路徑規(guī)劃和移動(dòng)控制,包括抵達(dá)目標(biāo)后規(guī)劃遙控機(jī)械臂進(jìn)行探測。大概的過程就是地形建立、視覺定位、路徑規(guī)劃和機(jī)械臂規(guī)劃。整個(gè)過程非常復(fù)雜,其中所需要考慮的因素也較多,是月球車月面生存所需要面對的主要難點(diǎn)之一。
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