轉(zhuǎn)載《國科大》2014年第1期：
“遙感科技在月球探測中大有可為”—訪中科院遙感與數(shù)字地球研究所行星遙感團隊。
2013 年 12 月 14 日晚，“嫦娥三號”在月球正面虹灣以東的地區(qū)平穩(wěn)著陸，成功實現(xiàn)了我國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”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——他們正是來自中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所行星遙感團隊的師生們。
參研“嫦娥三號”任務(wù)
“遙感地球所大部分遙感研究和應(yīng)用是針對地球，我們行星遙感團隊重點研究月球和行星遙感�！毙行沁b感團隊的負(fù)責(zé)人邸凱昌研究員向記者介紹道。在嫦娥三號任務(wù)中，行星遙感團隊通過北京航天飛行控制中心參研測控系統(tǒng)核心工作的“遙操作”系統(tǒng)，包括利用立體相機進行地形的三維重建、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，行星遙感團隊從地形重建和制圖定位兩方面為“嫦娥三號”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”月球車在月球上的每一步行駛都可能面臨危險，于是，準(zhǔn)實時精確地重建“玉兔”周圍的三維地形、計算地形坡度、識別可能的障礙，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。實際運行過程中，“玉兔號”每行駛一段距離就要停下來用導(dǎo)航相機拍攝周圍環(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，其實際停泊位置與規(guī)劃的停泊點位置會有所不同，我們通過視覺定位技術(shù)精確地確定每個停泊點的實際位置，以此來修正遙測結(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，行星遙感團隊采用精確處理后的“嫦娥二號”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”。 12 月 25 日美國月球偵察軌道器 (LRO) 衛(wèi)星過境時拍攝到了“嫦娥三號”，“通過對比發(fā)現(xiàn)我們定位的著陸點與 LRO 影像上直接觀測并公布的位置點幾乎重合 ( 偏差約 1 個像素 ) ，側(cè)面驗證了我們對著陸點的定位是非常準(zhǔn)確的”。
回顧此次參研經(jīng)歷，曾參與美國“勇氣號”和“機遇號”火星車探測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。十年前在美國，我也經(jīng)歷過這樣的時刻，那時我覺得自己很幸運，作為外國人能參與到火星探測重大任務(wù)中。但在中國，更多地感到的是自豪，這種自豪感不是 SCI 文章能帶來的，更是因為研究成果被實實在在地應(yīng)用到了國家的重大工程中�！�
“又贈送一個功能”
由于有技術(shù)積累和工程經(jīng)驗，行星遙感團隊從幾個競爭隊伍中脫穎而出，通過北京航天飛行控制中心參研“嫦娥三號”任務(wù)。為了更好地測試和驗證關(guān)鍵技術(shù)，團隊自己搭建了一個月球車模型，配備有立體相機和雙自由度云臺等，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)等地進行多次實驗測試。所開發(fā)的軟件也成功通過了工程任務(wù)中的內(nèi)外場測試�！皯�(yīng)用在‘嫦娥三號'任務(wù)中遙感制圖和導(dǎo)航定位都是我們團隊研發(fā)的相關(guān)技術(shù)中最成熟的部分，我們還有一些更先進的技術(shù)，可以用于長距離自主導(dǎo)航和智能化探測。新技術(shù)在測試，如果成熟了，希望將來能夠應(yīng)用”，邸凱昌介紹道。
對于項目需求的前瞻意識也成為了團隊能夠圓滿并超額完成任務(wù)的有力武器。團隊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，不僅僅是開發(fā)軟件，而是為工程設(shè)計軟件。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)時的場景，諸如此類的例子還有許多，除去應(yīng)急任務(wù)，在利用“玉兔”的全景相機拍攝的影像進行三維重建過程中，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，直接處理了這個問題”，劉召芹介紹道。雖然是錦上添花的臨時需求，他們也提前想到了，“大家都笑說，我們怎么又贈送了一個功能”，雖然經(jīng)歷了連續(xù)三個月高強度的現(xiàn)場代碼測試，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，團隊負(fù)責(zé)人邸凱昌曾在美國先后進行博士后和研究員的研究工作，并于 2004 年參與美國“勇氣號”和“機遇號”火星車探測任務(wù)， 2008 年入選中科院“百人計劃”回國。他認(rèn)為，在美國積累的經(jīng)驗對參研“嫦娥三號”相關(guān)任務(wù)有很大幫助，但“我們不是完全的照搬，因為需求不一樣�；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、在精度和自動化方面也有新的突破”。
“遙感技術(shù)在月球探測中大有可為”
“我們不僅做關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)支持工程任務(wù)，也進行月球和行星科學(xué)研究”。 2013 年，行星遙感團隊與美國普渡大學(xué) H · Jay Melosh 院士及其團隊合作完成的月球撞擊坑研究成果在國際著名期刊《 Nature Geoscience 》第 6 期上發(fā)表，文章第一作者是團隊副研究員岳宗玉，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，而該項研究利用遙感觀測數(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，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突破。該文經(jīng)多家國際科技媒體的廣泛報導(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。
邸凱昌進一步總結(jié)道，遙感技術(shù)在月球探測中的意義不僅在于工程本身的支持，還有探測數(shù)據(jù)的科學(xué)應(yīng)用。通過遙感的手段，進行月球科學(xué)和比較行星學(xué)的研究，可以幫助我們更好地認(rèn)識地球。比如在“嫦娥三號”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價值�！拔覀冃行沁b感團隊的理念就是以地球觀測的方法技術(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)與地球觀測的不同特性進行拓展，進行行星科學(xué)研究并支持工程任務(wù)的實施。遙感技術(shù)在月球探測中大有可為”�！皩W(xué)生們都說，我們腳踏實地，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，則由階梯領(lǐng)導(dǎo)結(jié)構(gòu)嚴(yán)格把握時間節(jié)點�！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，我們會考慮其特點指導(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。”
行星遙感團隊由 6 位職工和 16 位碩、博士生構(gòu)成�！皡⒀小隙鹑�'這么重大的項目，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)測試，職工負(fù)責(zé)總體設(shè)計，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，但是那樣對學(xué)生沒有培養(yǎng)和鍛煉，我們是個團隊，人人為我，我為人人，而確實經(jīng)歷任務(wù)后，我們明顯感覺到了學(xué)生的進步”。有的學(xué)生本來不想讀博士，因為參與了“嫦娥三號”任務(wù)，感受到了所研究內(nèi)容的價值，對科研產(chǎn)生了熱情和興趣。家長也說，有這么好的環(huán)境和機會，一定要讀完博士。
對學(xué)生進行分工時，既考慮到學(xué)生的特長，也要尊重他們的想法�！岸际亲鲩_發(fā)的，有的對 C++ 比較熟，就做基礎(chǔ)開發(fā)，有的對二次開發(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，剛開始都會有磨合期。我們組里有 QQ 群，會經(jīng)常交流。盡量讓學(xué)生做自己擅長做的，而且愿意做的”。
談及導(dǎo)師，碩士三年級的學(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。一次在沙漠做實驗，天氣非常寒冷，為了實驗順利，他也一直和我們一起做實驗。‘嫦娥三號'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”�！案±蠋焹赡炅耍麨槿颂貏e好，特別有涵養(yǎng)，有時給我們講老子莊子，他知識面很廣，給人感覺不是那么高高在上。對我們寫論文的指導(dǎo)也是從頭到尾，每次開例會，他首先會問每個學(xué)生最近的困難是什么？我們團隊氛圍也很好，大家經(jīng)常一起打籃球，邸老師投籃很準(zhǔn)�！辈┦慷昙壍膶W(xué)生李力這樣說到。
由于月夜氣溫過低會損壞儀器，“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)于地球的一個月，每逢月晝，團隊師生就要開始 24 小時三班倒的輪值，每個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，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 點鐘他要準(zhǔn)時交接夜班。
夜幕悄然降臨，行星遙感團隊的師生們在自己的崗位上默默守望著嫦娥……
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