童小華：深空探測成為測繪遙感的前沿和新戰(zhàn)場

◎ 徐 紅

深空探測是人類探索宇宙奧秘和尋求永續(xù)發(fā)展的重要途徑，是拓展人類生存空間、豐富人類認(rèn)知的重大新興領(lǐng)域。日前，同濟(jì)大學(xué)副校長童小華教授在《從地球測繪到地外天體測繪》一文中指出，深空探測已成為測繪遙感科學(xué)與技術(shù)的前沿和新戰(zhàn)場，得到全新發(fā)展。

測繪遙感技術(shù)在深空探測中起著極為關(guān)鍵的作用，是月球與深空探測任務(wù)的主要手段和重要支撐。同濟(jì)大學(xué)在深空探測測繪遙感與自主導(dǎo)航定位領(lǐng)域有著多年探索和實(shí)踐，曾先后參與了“嫦娥”系列月球探測和“天問一號”火星探測等多項(xiàng)深空探測測繪任務(wù)，有著一定的技術(shù)積累。

面對高質(zhì)量發(fā)展新要求和國家航天事業(yè)發(fā)展新需求，我國深空探測測繪遙感與導(dǎo)航定位技術(shù)如何創(chuàng)新發(fā)展？同濟(jì)大學(xué)如何發(fā)揮自身優(yōu)勢，加快推動(dòng)我國地外天體探測測繪遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用？記者就相關(guān)話題采訪了童小華教授。

記者：測繪遙感與自主導(dǎo)航定位技術(shù)在深空探測中起著怎樣的關(guān)鍵作用？與相對成熟的對地觀測、航空遙感測繪技術(shù)相比，目前我國深空探測測繪遙感領(lǐng)域取得了哪些新進(jìn)展、新技術(shù)和新成果？

童小華：1957 年10 月4 日，全球第一顆人造地球衛(wèi)星成功發(fā)射，標(biāo)志著人類進(jìn)入航天時(shí)代，包括地球觀測和深空探測。深空探測是指脫離地球引力場，進(jìn)入太陽系空間和宇宙空間的探測。經(jīng)過數(shù)十年探索，已基本覆蓋月球、行星、小行星和彗星等太陽系各類型天體。從20 世紀(jì)末至今，世界上主要的航天大國出于航天科技發(fā)展和國家戰(zhàn)略考慮，紛紛提出月球、火星、小行星和其他類地行星的探測計(jì)劃并積極實(shí)施，掀起了新一輪深空探測熱潮。

高精度測繪遙感技術(shù)是深空探測不可或缺的核心技術(shù)，對地外天體資源勘查、探測選址、安全著陸、路徑規(guī)劃、探測巡視、科研站和基地建設(shè)等起著關(guān)鍵作用。在深空探測任務(wù)中，通過軌道器可以對行星、衛(wèi)星、小行星等目標(biāo)進(jìn)行遙感觀測，獲取大量遙感圖像，進(jìn)一步對天體地形地貌進(jìn)行精細(xì)測繪，對光照、石塊、撞擊坑、地貌特征、礦物組成等進(jìn)行建模和識別，為探測器巡視導(dǎo)航和目標(biāo)選擇提供重要參考。

例如，在月球探測任務(wù)中，利用遙感數(shù)據(jù)研制的高精度DEM（數(shù)字高程模型）、石塊豐度、撞擊坑豐度等，是工程安全的關(guān)鍵數(shù)據(jù)產(chǎn)品，可以幫助探測器選擇最佳著陸點(diǎn)，并為探測器的巡視路徑規(guī)劃提供參考。

自主導(dǎo)航定位技術(shù)能幫助探測器在沒有地面控制的情況下，自主進(jìn)行導(dǎo)航和定位，主要包括視覺導(dǎo)航、星敏感器、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等。例如，在火星探測任務(wù)中，火星車需在火星表面進(jìn)行探測和移動(dòng)，由于火星與地球的通信延遲較大，地面控制中心無法實(shí)時(shí)控制探測器的移動(dòng)。因此，火星車需利用自主導(dǎo)航定位技術(shù)，確定自身位置和運(yùn)動(dòng)方向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自主移動(dòng)和科學(xué)探測。

我國目前已成功實(shí)施探月工程一、二、三期，實(shí)現(xiàn)了“嫦娥”月球探測“繞、落、回”三步走目標(biāo)，完成了首次火星探測任務(wù)“天問一號”等重大深空探測任務(wù)，制定了針對近地小行星采樣返回及主帶彗星探測任務(wù)（預(yù)計(jì)2025 年前后發(fā)射，整個(gè)計(jì)劃超過10 年）。

一方面由于深空環(huán)境的復(fù)雜性、挑戰(zhàn)性及先驗(yàn)信息的未知性，月球與深空探測一般遵循由遠(yuǎn)及近、先無人后有人的發(fā)展路線。首先借助較遠(yuǎn)距離的繞軌衛(wèi)星，通過測繪遙感獲取大范圍地理空間信息；然后利用著陸巡視器等開展近距離的遙感觀測獲取；最后再進(jìn)行有人探測活動(dòng)。因此，遙感測繪技術(shù)在深空探測中起著極為關(guān)鍵的作用，是月球與深空探測任務(wù)的主要手段和重要支撐。例如，“天問一號”探測器在到達(dá)火星后，先在火星環(huán)繞軌道運(yùn)行，對預(yù)選著陸區(qū)開展詳查，為著陸火星提供足夠的地形、氣候、探測科學(xué)性等信息支撐。

另一方面，深空環(huán)境的特殊性也對遙感測繪技術(shù)提出了新的要求和挑戰(zhàn)。例如，在深空探測車行駛探測過程中，沒有地球環(huán)境下建設(shè)的道路及高精度道路地圖信息支撐，也沒有豐富的衛(wèi)星定位導(dǎo)航輔助，同時(shí)受限于重量和功耗，探測車的計(jì)算性能有限，搭載的測繪傳感器主要為視覺相機(jī)。這些差異使得深空環(huán)境下巡視導(dǎo)航測繪遙感具有獨(dú)特挑戰(zhàn)，有賴于發(fā)展新型測繪遙感技術(shù)和方法。

因此，月球與深空探測已成為測繪遙感科學(xué)與技術(shù)的新戰(zhàn)場。在多類型月球與深空探測任務(wù)驅(qū)動(dòng)下，測繪遙感技術(shù)得到了全新發(fā)展，逐步形成了以環(huán)繞遙感測圖、著陸導(dǎo)航遙感避障、巡視導(dǎo)航視覺測圖為主的深空遙感測繪新技術(shù)體系。

記者：我們注意到，2023 年“中國航天日”主場活動(dòng)啟動(dòng)儀式上，國家航天局和中國科學(xué)院聯(lián)合發(fā)布了中國首次火星探測的火星全球影像圖。那么，在地外天體遙感測圖方面，我國已形成了哪些深空探測形貌數(shù)據(jù)圖型產(chǎn)品？目前還有著怎樣的難點(diǎn)和挑戰(zhàn)？

童小華：地外天體遙感測圖是一個(gè)涉及科學(xué)探測與工程安全的重要領(lǐng)域，是深空天體探測的基礎(chǔ)性工作。國內(nèi)外深空探測任務(wù)幾乎都搭載了相機(jī)等傳感器，來獲取地外天體表面的形貌信息，制作全球多尺度或局部精細(xì)尺度的數(shù)字高程模型等，從而支持地外天體探測任務(wù)科學(xué)目標(biāo)制定、地質(zhì)構(gòu)造及其演化科學(xué)分析、安全著陸區(qū)選取等工程任務(wù)和科學(xué)研究。

測圖精度對其應(yīng)用效果和工程任務(wù)順利開展具有關(guān)鍵性影響，而深空探測中姿態(tài)軌道測量精度低、缺少高精度控制，受復(fù)雜地形和光照等環(huán)境因素影響嚴(yán)重，使得地外天體遙感測圖相對地球遙感測繪具有更大挑戰(zhàn)。

● 童小華教授和學(xué)生們在著陸實(shí)驗(yàn)場

軌道器、著陸器和巡視器能產(chǎn)生多類型遙感數(shù)據(jù)。目前，我國“嫦娥一號”“嫦娥二號”“嫦娥三號”和“嫦娥四號”分別于2007 年、2010 年、2013 年和2019 年先后繞月和登月探測。基于自主獲取和國際公開的數(shù)據(jù)，我國已研制了月球和火星全球的影像圖、DEM、光照、撞擊坑、石塊、亮溫、礦物、地質(zhì)和物理等遙感數(shù)據(jù)產(chǎn)品。

月球和火星的地形復(fù)雜多變，月球光照變化強(qiáng)烈、火星具有沙塵暴等氣象，需要高精度的測繪數(shù)據(jù)支持，目前測繪精準(zhǔn)度和精確度仍需再提高。月球和火星環(huán)境惡劣，存在較強(qiáng)的輻射、溫度變化等問題，對探測器遙感數(shù)據(jù)的定標(biāo)也提出了很高要求。

此外，地外天體遙感探測需要傳輸大量數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)傳輸和處理的速度和效率提出了高要求，同時(shí)也需對數(shù)據(jù)進(jìn)行高效處理和分析。特別是由于月球和火星距離遙遠(yuǎn)，對衛(wèi)星軌道控制能力、通信能力、平臺和傳感器抗噪能力等都提出了極高要求。研制月球和火星全球的形貌和物質(zhì)成分等高精度地圖，仍是將來一段時(shí)間的挑戰(zhàn)性任務(wù)。

在關(guān)鍵技術(shù)上，月球和火星等地外天體遙感測圖首先需要構(gòu)建全球控制網(wǎng)，為遙感測圖提供控制基準(zhǔn)。總體來看，月球和火星現(xiàn)有全球控制網(wǎng)精度較低，已不能滿足后續(xù)新型軌道器高精度遙感數(shù)據(jù)制圖需求，亟須綜合利用最新多任務(wù)軌道器高分辨率高精度遙感觀測數(shù)據(jù)改進(jìn)和提高全球控制網(wǎng)精度。

日前，同濟(jì)大學(xué)、中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院、香港理工大學(xué)等多家單位利用LROC 窄角相機(jī)影像對“嫦娥四號”“嫦娥五號”著陸區(qū)進(jìn)行了高分辨率制圖。針對我國后續(xù)將開展的“嫦娥七號”“嫦娥八號”等月球南極探測任務(wù)，同濟(jì)大學(xué)基于LROC 窄角相機(jī)影像、LOLA 激光測高等多源遙感數(shù)據(jù)，制作了月球南極1.5 米分辨率三維地形，為我國月球南極探測著陸選址提供高分辨率空間信息支撐。

記者：請您通過具體應(yīng)用場景，介紹一下地外天體環(huán)繞遙感測圖、著陸導(dǎo)航遙感避障、巡視環(huán)境感知與自主導(dǎo)航定位等測繪遙感關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)應(yīng)用。目前，童教授您帶領(lǐng)的同濟(jì)大學(xué)航天測繪遙感與深空探測研究團(tuán)隊(duì)在這些關(guān)鍵技術(shù)研究上取得了哪些新進(jìn)展和新突破？

童小華：軌道器遙感測圖可以提供高分辨率的地形數(shù)據(jù)、地貌圖像和地質(zhì)構(gòu)造信息，為地外天體的科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如NASA（美國航空航天局）和中國嫦娥探測器通過軌道器探測獲得了大量光學(xué)和激光遙感數(shù)據(jù)，采用攝影測量和光影法等可以研制高質(zhì)量月球地形數(shù)據(jù)。著陸導(dǎo)航遙感避障技術(shù)可提供高精度的導(dǎo)航信息和避障策略，保證探測器安全著陸和正常運(yùn)行。

又如，“嫦娥三號”等任務(wù)采用三維激光遙感方法，實(shí)現(xiàn)百米懸停精避障，保障了其在月球著陸安全。巡視環(huán)境感知與自主導(dǎo)航定位，可以實(shí)現(xiàn)探測器的智能化運(yùn)行，提高探測效率和準(zhǔn)確性。

再如，“嫦娥三號”搭載的“玉兔一號”、“嫦娥四號”搭載的“玉兔二號”、“天問一號”搭載的祝融號等巡視器，需要全景相機(jī)、深度相機(jī)等實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的視覺導(dǎo)航。

同濟(jì)大學(xué)航天測繪遙感與深空探測研究團(tuán)隊(duì)建立了地形與光照產(chǎn)品研制技術(shù)和系統(tǒng)，研制了月球南極1.5 米分辨率的地形與光照產(chǎn)品，應(yīng)用于月球探測選址、工程安全、載荷論證等。建立了著陸避障激光三維遙感信息精準(zhǔn)處理方法，實(shí)現(xiàn)了“嫦娥三號”到“嫦娥五號”的懸停避障、火星“天問一號”高可信度探測。構(gòu)建了廣域和局域深空測繪技術(shù)、高速視頻測量技術(shù)。

試驗(yàn)場位于同濟(jì)大學(xué)，占地3萬平方米，用于“嫦娥三號”“嫦娥四號”“嫦娥五號”，火星“天問一號”激光三維成像系統(tǒng)檢校與障礙探測評估任務(wù)，巡視器、飛躍器等導(dǎo)航方案驗(yàn)證，航天器地面測試高速視頻測量等。

記者：您認(rèn)為，下一步深空探測測繪遙感應(yīng)如何適應(yīng)新需求，迎接新挑戰(zhàn)？在該技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)走在前列的同濟(jì)大學(xué)，目前正著手開展哪些研究工作，以助力高質(zhì)量發(fā)展？

童小華：深空探測測繪遙感技術(shù)作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，仍需要適應(yīng)新需求和迎接新挑戰(zhàn)，不斷提高測繪遙感技術(shù)的精準(zhǔn)度和分辨率，同時(shí)要開發(fā)新型的遙感探測設(shè)備和傳感器，以應(yīng)對更加復(fù)雜的地外天體環(huán)境。

需要進(jìn)一步完善自主導(dǎo)航與避障技術(shù)，提高探測器的自主運(yùn)行能力和安全性，同時(shí)開發(fā)新型的導(dǎo)航與避障算法，以應(yīng)對更加復(fù)雜的地形環(huán)境和任務(wù)需求。需要開發(fā)新型數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對大規(guī)模、多源、多元的地外天體數(shù)據(jù)的高效處理和分析，同時(shí)提高數(shù)據(jù)的可視化和智能化處理能力。需要進(jìn)一步優(yōu)化探測任務(wù)規(guī)劃和管理，以提高任務(wù)的執(zhí)行效率和成果質(zhì)量，同時(shí)開發(fā)新型的任務(wù)規(guī)劃和管理工具，以提高任務(wù)的智能化和自動(dòng)化水平。

目前，同濟(jì)大學(xué)航天測繪遙感與深空探測研究團(tuán)隊(duì)正在開展多項(xiàng)研究。如，高精度和高分辨率DEM研制技術(shù)、月球大范圍高分辨率光照產(chǎn)品研制技術(shù)、月球與火星特征形貌遙感識別技術(shù)、月球與火星精細(xì)著陸選址技術(shù)、基于天地聯(lián)合的自主導(dǎo)航定位技術(shù)、大規(guī)模月壤制備技術(shù)、月球科研站3D 打印技術(shù)等，同時(shí)還與多家科研機(jī)構(gòu)開展了廣泛合作，以推動(dòng)我國地外天體測繪遙感技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新應(yīng)用。

記者：同濟(jì)大學(xué)發(fā)布的2023年招生宣傳片《鏡界》中有這樣一句話：你可以成為前沿科學(xué)的探索者，讓遙感之鏡帶你到廣袤的宇宙邊境，從此遙不可及成為觸手可及。您如何理解深空探測測繪遙感未來的“鏡界”，我們將看見一個(gè)怎樣的“觸手可及”的未來？面向國家重大戰(zhàn)略需求，同濟(jì)大學(xué)測繪遙感人將如何發(fā)揮自身優(yōu)勢，在中國式現(xiàn)代化新征程上貢獻(xiàn)自己的力量呢？

童小華：“鏡界”是一個(gè)富有想象力和未來感的詞語，它代表了人類對于深空探測測繪遙感技術(shù)的期望和追求，也代表了這項(xiàng)技術(shù)未來的巨大潛力和發(fā)展空間。在未來的“鏡界”中，深空探測測繪遙感技術(shù)將成為人類探索宇宙的重要工具，為我們揭示宇宙的奧秘和未知領(lǐng)域，讓我們更加深入了解宇宙的本質(zhì)和演化。隨著技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，我們也將更加精準(zhǔn)、高效和全面地探測、測繪、分析和理解地外天體信息，實(shí)現(xiàn)更多的科學(xué)發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用。

作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，深空探測測繪遙感技術(shù)在國家月球與深空探測中具有廣泛的應(yīng)用前景。同濟(jì)大學(xué)測繪遙感人將在科學(xué)研究、技術(shù)創(chuàng)新、人才培養(yǎng)等方面發(fā)揮重要作用，為我國深空探測測繪遙感技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用做出新貢獻(xiàn)。

總之，深空探測是世界各航天強(qiáng)國進(jìn)行空間探索和科技創(chuàng)新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。近年來，我國在深空探測領(lǐng)域取得了舉世矚目的成就，其中測繪遙感為深空探測任務(wù)的成功提供了關(guān)鍵的空間信息技術(shù)支撐，深空探測已成為測繪遙感科學(xué)與技術(shù)的前沿和新戰(zhàn)場。