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光明日報:青島科技大學技術護航“天問一號”精確著陸
發布日期:2020-08-14

  7月23日,我國首次火星探測任務的“天問一號”探測器在中國文昌航天發射場成功發射,開啟了瑰麗壯美的火星之旅,邁出了我國自主開展行星探測的第一步。在這次任務中,青島科技大學作為參與火星探測任務的單位,為“天問一號”探測器精準、安全地著陸提供技術護航。

  在青島科技大學自動化與電子工程學院樓內,“藏”著一個并不知名的研究所。這就是承擔火星探測器精準著陸自主導航技術研究基礎的主體——自主導航與智能控制研究所。

  研究所成立于2003年,是國內較早研究自主導航的高校單位。其中由邵巍、于鐳、曹夢龍、姚文龍等教師組成的團隊,從2012年起,用了近5年的時間,參與完成了我國首個專注于深空探測的國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)。這個由北京理工大學、北京控制工程研究所、北京航空航天大學、青島科技大學、哈爾濱工業大學、清華大學等10家單位共同承擔的研究項目“行星表面精確著陸導航與制導控制問題研究”,就是要確保探測器通過自主導航進行安全、精確地著陸,為我國火星探測計劃的實施奠定技術理論基礎。

  研究所副所長、項目負責人邵巍教授表示,青科大承擔的項目子課題——“行星表面特征提取跟蹤與快速運動估計方法”,主要針對火星著陸末端,利用地表圖像進行特征提取跟蹤并進行視覺自主導航。團隊的研究成果“曲線特征匹配光學導航技術”得到了專家的認可,為我國首次火星探測過程中著陸方案的論證及設計提供了有力的技術支撐。

  自主導航與智能控制研究所執行所長于鐳介紹,研究所在該領域已經進行了近20年的探索,目前團隊還承擔著國家重點研發計劃項目的子課題,開展小行星探測的前期研究工作,努力為今后的小行星探測實現技術方面的突破。

  青科大的技術成果主要作用于探測器著陸階段,這是整個火星探測任務最為關鍵的階段之一,直接決定了探測任務的成功與否。

  火星探測器著陸過程中,大氣環境十分復雜,動力學環境也存在不確知等情況,進行實時高精度導航極為困難。火星與地球距離遙遠,探測器與地球之間的通信存在至少10分鐘的時間差。這意味著,探測器著陸時可能與地球“失聯”,一旦失去控制就將撞毀在火星表面。這就要求探測器在著陸階段必須具有自主導航、控制和障礙規避的能力。

  “利用地表圖像進行特征提取跟蹤,并進行自主導航是完成火星探測器自主、精確、安全著陸任務要解決的關鍵技術問題。”邵巍告訴記者,青科大的技術實現了讓探測器利用地表圖像進行特征提取、跟蹤,并據此完成著陸段自主視覺導航。這不僅是完成著陸器自主導航的重要手段,也將在很大程度上解決我國行星探測自主、安全、精確著陸任務的關鍵技術問題。

  在他們的研究理論支撐下,探測器在著陸階段可以利用光學相機獲取火星表面圖像,并提取火星表面特征點、隕石坑、山脊、溝壑等作為導航陸標,通過跟蹤這些特征并結合慣性導航信息,可以對自己的位置、速度、姿態等進行估計,從而完成精確著陸。

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