轉(zhuǎn)載《國(guó)科大》2014年第1期：
“遙感科技在月球探測(cè)中大有可為”—訪中科院遙感與數(shù)字地球研究所行星遙感團(tuán)隊(duì)。
2013 年 12 月 14 日晚，“嫦娥三號(hào)”在月球正面虹灣以東的地區(qū)平穩(wěn)著陸，成功實(shí)現(xiàn)了我國(guó)航天器首次在地外天體軟著陸。北京航天飛行控制中心指揮大廳內(nèi)一片歡騰，人們不禁相互握手擁抱，慶祝這一歷史性的成果。此時(shí)此刻，有一部分工作人員來不及歡呼，便立即投入到緊張的著陸器定位制圖工作中，以最快的速度向全世界發(fā)布“嫦娥三號(hào)”的具體位置及周圍地形，并為兩器分離提供后續(xù)決策支撐——他們正是來自中國(guó)科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所行星遙感團(tuán)隊(duì)的師生們。
參研“嫦娥三號(hào)”任務(wù)
“遙感地球所大部分遙感研究和應(yīng)用是針對(duì)地球，我們行星遙感團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)研究月球和行星遙感。”行星遙感團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人邸凱昌研究員向記者介紹道。在嫦娥三號(hào)任務(wù)中，行星遙感團(tuán)隊(duì)通過北京航天飛行控制中心參研測(cè)控系統(tǒng)核心工作的“遙操作”系統(tǒng)，包括利用立體相機(jī)進(jìn)行地形的三維重建、月球車視覺定位和路徑規(guī)劃等。憑借在遙感制圖和導(dǎo)航定位方面的技術(shù)積累，行星遙感團(tuán)隊(duì)從地形重建和制圖定位兩方面為“嫦娥三號(hào)”遙操作工作提供了有力的技術(shù)支撐。
一方面，由于月球表面的地形起伏，并伴隨未知的大大小小的撞擊坑、石塊等障礙， “玉兔號(hào)”月球車在月球上的每一步行駛都可能面臨危險(xiǎn)，于是，準(zhǔn)實(shí)時(shí)精確地重建“玉兔”周圍的三維地形、計(jì)算地形坡度、識(shí)別可能的障礙，支持合理的路徑規(guī)劃以確�！坝裢谩卑踩旭傦@得至關(guān)重要。實(shí)際運(yùn)行過程中，“玉兔號(hào)”每行駛一段距離就要停下來用導(dǎo)航相機(jī)拍攝周圍環(huán)境以確定下一步行走的路線；由于車輪打滑等因素的影響，其實(shí)際停泊位置與規(guī)劃的停泊點(diǎn)位置會(huì)有所不同，我們通過視覺定位技術(shù)精確地確定每個(gè)停泊點(diǎn)的實(shí)際位置，以此來修正遙測(cè)結(jié)果和行駛路線。高精度三維重建和視覺定位技術(shù)相結(jié)合，為“玉兔”的安全行駛提供了有力的技術(shù)支持。
另一方面，行星遙感團(tuán)隊(duì)采用精確處理后的“嫦娥二號(hào)”高分辨率影像作為底圖，在著陸器降落后迅速將降落過程中拍攝的序列降落影像與底圖配準(zhǔn)，從而在衛(wèi)星影像上快速定位“嫦娥三號(hào)”。 12 月 25 日美國(guó)月球偵察軌道器 (LRO) 衛(wèi)星過境時(shí)拍攝到了“嫦娥三號(hào)”，“通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)我們定位的著陸點(diǎn)與 LRO 影像上直接觀測(cè)并公布的位置點(diǎn)幾乎重合 ( 偏差約 1 個(gè)像素 ) ，側(cè)面驗(yàn)證了我們對(duì)著陸點(diǎn)的定位是非常準(zhǔn)確的”。
回顧此次參研經(jīng)歷，曾參與美國(guó)“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車探測(cè)的邸凱昌研究員感慨萬千：“著陸那天晚上，一顆心在懸著，如果著陸不安全，后面的都沒用了，著陸成功的那一刻，內(nèi)心很激動(dòng)。十年前在美國(guó)，我也經(jīng)歷過這樣的時(shí)刻，那時(shí)我覺得自己很幸運(yùn)，作為外國(guó)人能參與到火星探測(cè)重大任務(wù)中。但在中國(guó)，更多地感到的是自豪，這種自豪感不是 SCI 文章能帶來的，更是因?yàn)檠芯砍晒粚?shí)實(shí)在在地應(yīng)用到了國(guó)家的重大工程中。”
“又贈(zèng)送一個(gè)功能”
由于有技術(shù)積累和工程經(jīng)驗(yàn)，行星遙感團(tuán)隊(duì)從幾個(gè)競(jìng)爭(zhēng)隊(duì)伍中脫穎而出，通過北京航天飛行控制中心參研“嫦娥三號(hào)”任務(wù)。為了更好地測(cè)試和驗(yàn)證關(guān)鍵技術(shù)，團(tuán)隊(duì)自己搭建了一個(gè)月球車模型，配備有立體相機(jī)和雙自由度云臺(tái)等，并且可以翻越障礙，在懷來的天然沙漠、永定河河谷、十三陵地區(qū)等地進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試。所開發(fā)的軟件也成功通過了工程任務(wù)中的內(nèi)外場(chǎng)測(cè)試�！皯�(yīng)用在‘嫦娥三號(hào)'任務(wù)中遙感制圖和導(dǎo)航定位都是我們團(tuán)隊(duì)研發(fā)的相關(guān)技術(shù)中最成熟的部分，我們還有一些更先進(jìn)的技術(shù)，可以用于長(zhǎng)距離自主導(dǎo)航和智能化探測(cè)。新技術(shù)在測(cè)試，如果成熟了，希望將來能夠應(yīng)用”，邸凱昌介紹道。
對(duì)于項(xiàng)目需求的前瞻意識(shí)也成為了團(tuán)隊(duì)能夠圓滿并超額完成任務(wù)的有力武器。團(tuán)隊(duì)的劉召芹副研究員主要負(fù)責(zé)參研任務(wù)中的軟件開發(fā)部分，他說：“雖然我們是此次任務(wù)當(dāng)中的外協(xié)單位，但是我們不能把自己放在輔助位置，得把自己放在整體工程上，有全局意識(shí)，不僅僅是開發(fā)軟件，而是為工程設(shè)計(jì)軟件。比如遙操作成果制圖系統(tǒng)有些可能用到的功能在需求中沒有明確提出，我們也要考慮到并做好充分準(zhǔn)備”， “登陸第二天，領(lǐng)導(dǎo)問能不能把兩個(gè)輪子的軌跡畫出來，我們想到了前面，做了平行線功能，馬上就可以拿出結(jié)果，否則讓領(lǐng)導(dǎo)等結(jié)果是很著急的”，劉召芹向記者描述當(dāng)時(shí)的場(chǎng)景，諸如此類的例子還有許多，除去應(yīng)急任務(wù)，在利用“玉兔”的全景相機(jī)拍攝的影像進(jìn)行三維重建過程中，由于附近有著陸器，一片地形就高起來了，出現(xiàn)了錯(cuò)誤，“而我們的軟件剛好開發(fā)有地形編輯功能，直接處理了這個(gè)問題”，劉召芹介紹道。雖然是錦上添花的臨時(shí)需求，他們也提前想到了，“大家都笑說，我們?cè)趺从仲?zèng)送了一個(gè)功能”，雖然經(jīng)歷了連續(xù)三個(gè)月高強(qiáng)度的現(xiàn)場(chǎng)代碼測(cè)試，這位年輕的副研究員臉上仍難掩喜悅和自豪。
據(jù)了解， 2000 年，團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人邸凱昌曾在美國(guó)先后進(jìn)行博士后和研究員的研究工作，并于 2004 年參與美國(guó)“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”火星車探測(cè)任務(wù)， 2008 年入選中科院“百人計(jì)劃”回國(guó)。他認(rèn)為，在美國(guó)積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)參研“嫦娥三號(hào)”相關(guān)任務(wù)有很大幫助，但“我們不是完全的照搬，因?yàn)樾枨蟛灰粯印；鹦蔷嗟剌^遠(yuǎn)，通信延遲很大，一天只上載一次指令；而月球上的延遲僅一兩秒，數(shù)據(jù)下載和指令上載比較頻繁，要求我們不論完成什么任務(wù)都要很快。而最后結(jié)果證明，我們開發(fā)的新系統(tǒng)速度更快、在精度和自動(dòng)化方面也有新的突破”。
“遙感技術(shù)在月球探測(cè)中大有可為”
“我們不僅做關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)支持工程任務(wù)，也進(jìn)行月球和行星科學(xué)研究”。 2013 年，行星遙感團(tuán)隊(duì)與美國(guó)普渡大學(xué) H · Jay Melosh 院士及其團(tuán)隊(duì)合作完成的月球撞擊坑研究成果在國(guó)際著名期刊《 Nature Geoscience 》第 6 期上發(fā)表，文章第一作者是團(tuán)隊(duì)副研究員岳宗玉，文章內(nèi)容為：一些月球撞擊坑的中央峰中，存在著和周圍不一樣的礦物質(zhì)——橄欖巖，傳統(tǒng)觀點(diǎn)多認(rèn)為中央峰的橄欖巖來源于月殼深處甚至月幔，通過隕石撞擊帶到月球表面，而該項(xiàng)研究利用遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)與撞擊過程數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)隕石在月表的撞擊速度低于 12 km/s 時(shí)，大部分隕石在熔融后可以殘留下來，而且在撞擊坑的后期改造過程中主要積聚在中央峰；這不僅以定量化的方式分析了哥白尼撞擊坑中央峰物質(zhì)的可能來源，也為尋找可能的隕石殘留物提供了關(guān)鍵信息。研究人員以第一單位、第一作者在《 Nature Geoscience 》上發(fā)表論文，這在遙感地球所是一個(gè)突破。該文經(jīng)多家國(guó)際科技媒體的廣泛報(bào)導(dǎo)和轉(zhuǎn)載，被認(rèn)為是行星科學(xué)研究的重大發(fā)現(xiàn)，為探索月球形成初期的物質(zhì)成分提供了可能，具有重大意義。
邸凱昌進(jìn)一步總結(jié)道，遙感技術(shù)在月球探測(cè)中的意義不僅在于工程本身的支持，還有探測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用。通過遙感的手段，進(jìn)行月球科學(xué)和比較行星學(xué)的研究，可以幫助我們更好地認(rèn)識(shí)地球。比如在“嫦娥三號(hào)”任務(wù)當(dāng)中，遙感技術(shù)不僅可以支持著陸器和巡視器完成工程任務(wù)，著陸器及巡視器返回的多種數(shù)據(jù)在遙感領(lǐng)域還有許多重大的研究?jī)r(jià)值。“我們行星遙感團(tuán)隊(duì)的理念就是以地球觀測(cè)的方法技術(shù)為基礎(chǔ)，將取得的共性技術(shù)成果應(yīng)用到月球，到其它行星上去，并根據(jù)與地球觀測(cè)的不同特性進(jìn)行拓展，進(jìn)行行星科學(xué)研究并支持工程任務(wù)的實(shí)施。遙感技術(shù)在月球探測(cè)中大有可為”�！皩W(xué)生們都說，我們腳踏實(shí)地，仰望星空。我們是在真正地仰望星空”，他幽默地說道。
“沒有學(xué)生叫我老板”
在師生關(guān)系上，同樣也是博士生導(dǎo)師的邸凱昌研究員也有自己見解：“科研中，我讓學(xué)生放手去做，自由發(fā)揮。在涉及工程任務(wù)時(shí)，則由階梯領(lǐng)導(dǎo)結(jié)構(gòu)嚴(yán)格把握時(shí)間節(jié)點(diǎn)�！痹诠芾韺W(xué)生方面，邸凱昌比較民主，他說，“沒有學(xué)生叫我老板，如果叫的話我會(huì)很反感。老師用學(xué)生，更要培養(yǎng)學(xué)生，師生不應(yīng)該是老板員工的關(guān)系。學(xué)生畢業(yè)后有的想去高校、有的想去公司，我們會(huì)考慮其特點(diǎn)指導(dǎo)他們的職業(yè)規(guī)劃，讓他們愉快而有收獲地度過研究生階段�！�
行星遙感團(tuán)隊(duì)由 6 位職工和 16 位碩、博士生構(gòu)成。“參研‘嫦娥三號(hào)'這么重大的項(xiàng)目，讓學(xué)生參與，放心嗎？”當(dāng)被問及此，邸凱昌非�？隙ǖ卣f道：“我們的學(xué)生都是自己帶出來的，以前都做過相關(guān)測(cè)試，職工負(fù)責(zé)總體設(shè)計(jì)，寫關(guān)鍵代碼，學(xué)生多是輔助的。有些事情我們自己做可能比學(xué)生做還要快，但是那樣對(duì)學(xué)生沒有培養(yǎng)和鍛煉，我們是個(gè)團(tuán)隊(duì)，人人為我，我為人人，而確實(shí)經(jīng)歷任務(wù)后，我們明顯感覺到了學(xué)生的進(jìn)步”。有的學(xué)生本來不想讀博士，因?yàn)閰⑴c了“嫦娥三號(hào)”任務(wù)，感受到了所研究?jī)?nèi)容的價(jià)值，對(duì)科研產(chǎn)生了熱情和興趣。家長(zhǎng)也說，有這么好的環(huán)境和機(jī)會(huì)，一定要讀完博士。
對(duì)學(xué)生進(jìn)行分工時(shí)，既考慮到學(xué)生的特長(zhǎng)，也要尊重他們的想法�！岸际亲鲩_發(fā)的，有的對(duì) C++ 比較熟，就做基礎(chǔ)開發(fā)，有的對(duì)二次開發(fā)比較熟，就做后續(xù)的開發(fā)，也有學(xué)生后來自己商量互換的，這些我們都允許”，邸凱昌說，“這是雙選，剛開始都會(huì)有磨合期。我們組里有 QQ 群，會(huì)經(jīng)常交流。盡量讓學(xué)生做自己擅長(zhǎng)做的，而且愿意做的”。
談及導(dǎo)師，碩士三年級(jí)的學(xué)生孫義威說：“邸老師沒有架子，不論什么事都是和你商量，而不是命令你。一次在沙漠做實(shí)驗(yàn)，天氣非常寒冷，為了實(shí)驗(yàn)順利，他也一直和我們一起做實(shí)驗(yàn)�！隙鹑�(hào)'發(fā)射成功那晚，他和我們一起熬夜值班。任務(wù)執(zhí)行過程中晚上值班是很累的，他也經(jīng)常陪我們”。“跟邸老師兩年了，他為人特別好，特別有涵養(yǎng)，有時(shí)給我們講老子莊子，他知識(shí)面很廣，給人感覺不是那么高高在上。對(duì)我們寫論文的指導(dǎo)也是從頭到尾，每次開例會(huì)，他首先會(huì)問每個(gè)學(xué)生最近的困難是什么？我們團(tuán)隊(duì)氛圍也很好，大家經(jīng)常一起打籃球，邸老師投籃很準(zhǔn)�！辈┦慷昙�(jí)的學(xué)生李力這樣說到。
由于月夜氣溫過低會(huì)損壞儀器，“嫦娥”和“月兔”均是在月晝工作，月夜休眠，而月球的一天大概相當(dāng)于地球的一個(gè)月，每逢月晝，團(tuán)隊(duì)師生就要開始 24 小時(shí)三班倒的輪值，每個(gè)人交替值日班和夜班，孫義威感到“生物鐘很混亂，但是很幸運(yùn)，很自豪”。而李力在接受記者采訪完后，就急匆匆趕往北京航天飛控中心， 7 點(diǎn)鐘他要準(zhǔn)時(shí)交接夜班。
夜幕悄然降臨，行星遙感團(tuán)隊(duì)的師生們?cè)谧约旱膷徫簧夏赝隙稹?
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