萬(wàn)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(cè)器在月球安全軟著陸，以及釋放出月球車(chē)在月球表面進(jìn)行巡視探測(cè)。
嫦娥三號(hào)月球軟著陸是中國(guó)航天器首次降落在地球以外的天體，月球車(chē)的行走和探測(cè)，也是首次遠(yuǎn)隔38萬(wàn)公里的距離在地球遙控完成。
具體來(lái)講，探測(cè)器軟著陸月面后，著陸器和月球車(chē)分離。此后，將在月面巡視3個(gè)月之久的月球車(chē)由地面控制，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(chē)月面探測(cè)階段的月面地形建立、視覺(jué)定位、路徑規(guī)劃等遙操作任務(wù)。
這些都給測(cè)控通信系統(tǒng)應(yīng)急處置能力和飛行控制精度帶來(lái)了巨大而又前所未有的挑戰(zhàn)，對(duì)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
飛控環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣
空間探測(cè)器進(jìn)行深空航行，必須通過(guò)測(cè)控通信系統(tǒng)才能和地球聯(lián)系并互動(dòng)，測(cè)控通信系統(tǒng)好比是一根“風(fēng)箏線(xiàn)”，能精確定位探測(cè)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(guò)程中，地面的控制都是一次性完成，沒(méi)有可逆的機(jī)會(huì)，也就是說(shuō)，對(duì)每次控制的計(jì)算，要非常精確。
北京航天飛行控制中心專(zhuān)家介紹說(shuō)，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(cè)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?gòu)?5公里近月點(diǎn)開(kāi)始動(dòng)力下降到月面，每一步控制都要考慮到對(duì)后一步控制的影響，為后續(xù)環(huán)節(jié)創(chuàng)造好的條件。比如，在計(jì)算嫦娥三號(hào)降軌到15×100公里月球軌道控制參數(shù)的時(shí)候，不僅要滿(mǎn)足變軌后的目標(biāo)軌道要求，還要滿(mǎn)足4天之后動(dòng)力下降開(kāi)始點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、高度和速度的要求以及著陸點(diǎn)的狀況，這對(duì)控制策略的計(jì)算提出了很高的要求。
以往，測(cè)控系統(tǒng)主要是對(duì)航天器進(jìn)行有規(guī)律飛行的控制——知道當(dāng)前點(diǎn)的位置，就能推到幾天之后在哪，可以把控制計(jì)劃精確安排到幾點(diǎn)幾分幾秒。但對(duì)月球車(chē)在月面工作而言，遙操作完全是另外一種模式。測(cè)控系統(tǒng)只能根據(jù)實(shí)時(shí)“看到”的現(xiàn)場(chǎng)情況，再將決策付諸行動(dòng)，有點(diǎn)像“看一步，走一步”。
月球車(chē)遙操作十分復(fù)雜，月球車(chē)上的相機(jī)先拍攝月球車(chē)所處的環(huán)境，測(cè)控系統(tǒng)再根據(jù)月球車(chē)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(duì)行走和探測(cè)路線(xiàn)做出決策和控制。專(zhuān)家說(shuō)，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(chē)溫度都是規(guī)劃中需要考慮的因素。
精細(xì)定位難度大
月球車(chē)采用視覺(jué)定位
為實(shí)現(xiàn)月球車(chē)月面行走和科學(xué)探測(cè)，測(cè)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(chē)進(jìn)行月面巡視和勘察過(guò)程中，用到了高精度月面視覺(jué)識(shí)別、月面巡視動(dòng)態(tài)規(guī)劃、視覺(jué)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(zhuān)家介紹，遙操作月球車(chē)有個(gè)特點(diǎn)，對(duì)測(cè)控系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，將首次依靠“視覺(jué)”來(lái)完成定位工作。以往的探月任務(wù)中，測(cè)控通信基本上都是靠無(wú)線(xiàn)電定位，通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)來(lái)獲取位置信息測(cè)量數(shù)據(jù)。由于這次月球車(chē)在月面的最大移動(dòng)速度也就是每小時(shí)幾百米，靠無(wú)線(xiàn)電測(cè)量無(wú)法達(dá)到精細(xì)定位。月球車(chē)離開(kāi)著陸器多遠(yuǎn)，處于什么環(huán)境，主要靠視覺(jué)定位技術(shù)來(lái)確定。也就是利用月球車(chē)攜帶的多臺(tái)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(chē)所在的地形環(huán)境。地面遙操作人員將依據(jù)月球車(chē)周邊環(huán)境的立體圖像，根據(jù)探測(cè)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(cè)。大概的過(guò)程就是地形建立、視覺(jué)定位、路徑規(guī)劃和機(jī)械臂規(guī)劃。
在地面人員動(dòng)態(tài)規(guī)劃月球車(chē)到達(dá)探測(cè)目標(biāo)的最優(yōu)路線(xiàn)時(shí)，不僅要考慮到路徑長(zhǎng)短，還要結(jié)合能源消耗、途中障礙、陽(yáng)光照射等因素綜合考慮，最終要控制月球車(chē)安全行走到目標(biāo)前面，并且展開(kāi)長(zhǎng)達(dá)80厘米的機(jī)械臂，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行厘米級(jí)精度的探測(cè)。在遙遠(yuǎn)的地月之間，加上幾秒的通信延遲，要實(shí)現(xiàn)如此精細(xì)的控制，風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)可說(shuō)是前所未有。(余建斌 吳月輝)
