國外星體表面巡視探測器地面試驗(yàn)方法分析

顧 征 任德鵬

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京100094)

1 引言

巡視探測是深空探測領(lǐng)域中常用的星體表面探測手段,巡視探測器(以下簡稱巡視器)工作于星體表面,將會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜、特殊的空間環(huán)境,由于人類尚未全面和準(zhǔn)確地認(rèn)識到星體表面環(huán)境會(huì)對巡視器產(chǎn)生的影響,因此需要在地面進(jìn)行專項(xiàng)試驗(yàn),以驗(yàn)證巡視器的環(huán)境適應(yīng)能力。此外,巡視器研制過程中使用的新技術(shù)、新材料,巡視器在軌運(yùn)行時(shí)地面任務(wù)支持人員的操控能力,都需要通過地面試驗(yàn)來驗(yàn)證和訓(xùn)練,因此,地面試驗(yàn)是巡視器設(shè)計(jì)過程中的必要環(huán)節(jié),是驗(yàn)證巡視器設(shè)計(jì)狀態(tài)的最直接、最有效的方式。

文章在充分調(diào)研國外星體表面巡視探測器典型地面試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行了詳細(xì)分析,總結(jié)了地面試驗(yàn)的特點(diǎn)和規(guī)律,可以為我國相關(guān)試驗(yàn)的開展提供借鑒。

2 巡視器地面試驗(yàn)

2.1 蘇聯(lián)“月球車”地面試驗(yàn)

蘇聯(lián)在20 世紀(jì)中期探月期間,成功發(fā)射了“月球車”(Lunokhod)系列探測器,探測器研制過程中建設(shè)了室內(nèi)的綜合試驗(yàn)場并開展了綜合試驗(yàn)。

試驗(yàn)場占地面積50m ×50m,其中建有月表地形地貌的模擬系統(tǒng),主要模擬月球環(huán)形坑、溝壑和巖石等,如圖1 所示。開展的試驗(yàn)項(xiàng)目主要有移動(dòng)性能試驗(yàn)、遙操作試驗(yàn)、探測器的導(dǎo)航和避障試驗(yàn)等。

在移動(dòng)性能試驗(yàn)中,考慮了對月表低重力環(huán)境的模擬,主要途徑是采用懸吊平衡,即在垂直方向平衡探測器5/6 的重力從而模擬月表低重力,模擬原理如圖2 所示,模擬裝置安裝在環(huán)形導(dǎo)軌上并能夠與探測器的運(yùn)動(dòng)保持同步。

遙操作試驗(yàn)主要驗(yàn)證了地面操作人員的路徑規(guī)劃能力,遙操作試驗(yàn)規(guī)劃如圖3 所示。

圖1 Lunokhod 地面試驗(yàn)場概貌Fig.1 Ground test field of Lunokhod

圖2 1/6 重力模擬原理示意圖Fig.2 Simulation of 1/6 gravity

圖3 用于研究遙控系統(tǒng)的人造場地規(guī)劃圖Fig.3 Layout of artificial trial field

2.2 美國“月面巡視車”地面試驗(yàn)

早在1965年,美國為阿波羅(Apollo)工程在休斯頓約翰遜航天中心建立了一個(gè)空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室(SES L),以提供Apollo 時(shí)期所有載人航天器和“月面巡視車”(LRV)的地面試驗(yàn)。該模擬器可以進(jìn)行低重力和真空條件的模擬,以驗(yàn)證設(shè)備在月表環(huán)境中的工作性能。

洛克希德導(dǎo)彈和空間公司(LM SC)建立了室內(nèi)的地面試驗(yàn)艙用于模擬月球的月壤和地形特征,如圖4 所示。

圖4 美國“月面巡視車”(LRV)進(jìn)行月球模擬的地面土壤行駛性試驗(yàn)Fig.4 LRV in the mobility tests

此外,Apollo 工程時(shí)期,NASA 還在位于德州休斯頓的約翰遜航天中心(Johnson Space Center,JSC)建立了室外的月球地貌試驗(yàn)場(Lunar Topographic Simulation A rea),用于訓(xùn)練宇航員并測試月球車,如圖5 所示。從照片上看,試驗(yàn)場比較小,由散滿石塊的沙石地構(gòu)成,頗似戈壁灘。

2.3 美俄火星飛行器地面試驗(yàn)[1-4]

美俄“火星飛行器”(Marsokhod)是由美國和俄羅斯于1993年聯(lián)合研制的一臺火星探測的地面試驗(yàn)樣機(jī),如圖6 所示。

圖5 約翰遜航天中心的月球地貌試驗(yàn)場Fig.5 Simulating lunar terrain test field of Johnson Space Centre

圖6 Marsokhod 探測器示意圖Fig.6 Marsokhod rover prototype

為了驗(yàn)證Marsokhod 的導(dǎo)航、移動(dòng)、避障、遙操作等多種性能,美國和俄羅斯曾開展了多次地面試驗(yàn),主要包括:1993年的俄羅斯堪察加半島試驗(yàn)測試了巡視器和其成像設(shè)備的虛擬現(xiàn)實(shí)遙控;1994年的美國莫哈維沙漠試驗(yàn)驗(yàn)證了大延時(shí)情況下科學(xué)團(tuán)隊(duì)的配合;1995年的美國Kilauea 火山試驗(yàn)驗(yàn)證了新增控制器和多種先進(jìn)的控制模式;1996年美國亞利桑那州Painted 沙漠的地面試驗(yàn)集中驗(yàn)證了車載敏感器、控制模式、自主能力、取樣能力和遙操作下的模擬科學(xué)探測;1999年美國莫哈維(M ojave)沙漠試驗(yàn)驗(yàn)證了Marsokhod 的技術(shù)能力和科學(xué)探測策略,以尋找更高效的、能夠在科學(xué)和工程上取得更大收獲的行星巡視器操作方法。下面重點(diǎn)介紹1996年的Painted 沙漠試驗(yàn)。

Paninted 沙漠植被稀少、地質(zhì)復(fù)雜、地形地貌與火星表面頗為相似,但試驗(yàn)前,試驗(yàn)隊(duì)對試驗(yàn)場位置和當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的資料獲知較少。試驗(yàn)中受各種條件的限制,模擬探測器在火星表面持續(xù)數(shù)周甚至數(shù)月的操作過程被壓縮為6d。模擬下降圖像序列是在試驗(yàn)開始前數(shù)周,使用直升飛機(jī)在試驗(yàn)區(qū)拍攝得到的,模擬衛(wèi)星圖像則通過高空拍攝獲得,而試驗(yàn)區(qū)的高分辨率全景圖在試驗(yàn)開始前就拍攝完畢。

試驗(yàn)的控制中心設(shè)置在艾姆斯研究中心(Ames Research Center, A RC),科學(xué)家和工程師在這里聯(lián)合對Marsokhod 進(jìn)行操作?？刂浦行暮驮囼?yàn)場之間的通信使用112kbit/s 的商業(yè)衛(wèi)星鏈路實(shí)現(xiàn)。

A RC 的Marsokhod 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺來進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的共享,網(wǎng)絡(luò)平臺可以提供的數(shù)據(jù)包括:最新的圖像和遙測數(shù)據(jù)(每分鐘更新一次)、用于紅藍(lán)眼鏡觀測的立體圖像、標(biāo)注了巡視器行駛路徑的航拍圖像、全景圖像、任務(wù)日志、任務(wù)背景、控制屏截圖、相機(jī)參數(shù)、Marsokhod 規(guī)格參數(shù)、試驗(yàn)人員和裝備圖片、試驗(yàn)現(xiàn)場圖片、試驗(yàn)場信息等。

試驗(yàn)的主要目的有3 個(gè):1)全面了解試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)學(xué)和生物學(xué)概況;2)測試將于1997年7月用于“火星探路者”(Mars Pathfinder)任務(wù)和“旅居者”(Sojourner)巡視器的各種技術(shù);3)建立一種快速探測模式。

為了完成上述目標(biāo),整個(gè)試驗(yàn)被分成了3 個(gè)環(huán)節(jié):探路者任務(wù)模擬、全面探測和快速探測,各環(huán)節(jié)各占2d 的時(shí)間。首先開始的是探路者任務(wù)模擬,由于探路者任務(wù)中沒有配置降落相機(jī),在該階段試驗(yàn)中不會(huì)提供模擬降落相機(jī)圖像。模擬降落相機(jī)圖像只在后兩個(gè)試驗(yàn)階段提供,試驗(yàn)隊(duì)可以據(jù)此選擇模擬著陸區(qū)之外的科學(xué)探測點(diǎn)。在最后的快速探測階段中,巡視器路徑規(guī)劃只使用模擬降落相機(jī)圖像來完成,不再考慮在每一個(gè)路徑點(diǎn)的科學(xué)考察。

在每一環(huán)節(jié)的試驗(yàn)中,巡視器從模擬著陸點(diǎn)開始探測,該階段試驗(yàn)結(jié)束后,巡視器又會(huì)被重新運(yùn)回模擬著陸點(diǎn)。經(jīng)過里程計(jì)的測算,在整個(gè)試驗(yàn)過程中,巡視器共行進(jìn)了469m, 單次最長行駛路徑45.3m,如圖7 所示。

試驗(yàn)中Marsokhod 的操控由工程師來完成:首先使用高分辨率的立體圖像指定一個(gè)新的目標(biāo)點(diǎn),通過視覺導(dǎo)航引導(dǎo)巡視器接近目標(biāo)點(diǎn),巡視器的位置和航向通過車載相機(jī)和模擬降落相機(jī)圖像來修正。為了使巡視器盡可能地靠近目標(biāo)點(diǎn),該過程可能多次實(shí)施,有時(shí)還會(huì)采用手動(dòng)駕駛。在巡視器到達(dá)一個(gè)既可以接觸目標(biāo)又不會(huì)遮擋相機(jī)視場的理想位置后,工程師就會(huì)進(jìn)行機(jī)械臂的投放,機(jī)械臂相對于目標(biāo)物的位置和方向通過前視相機(jī)圖像來校準(zhǔn),在完成科學(xué)任務(wù)后,機(jī)械臂會(huì)回到原位,巡視器則開始下一個(gè)目標(biāo)的探測。

圖7 Marsokhod 行駛路徑(10m 網(wǎng)格圖)Fig.7 Marsokhod's t ravel path in painted desert experiment(10m grid map)

在完成主要的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之外,Paninted 沙漠試驗(yàn)還進(jìn)行了微型巡視器輔助試驗(yàn),研究使用微型巡視器輔助Marsokhod 探測的可行性。試驗(yàn)中使用了一臺大小僅為32cm ×32cm ×20cm、攜帶一臺單色相機(jī)、具有簡單自主功能的6 輪微型巡視器考拉(Koala),如圖8 所示。Koala 本身可以作為Marsokhod 的成像標(biāo)定參照物,其攜帶的單色相機(jī)能夠?yàn)镸arsokhod 提供額外的圖像信息作為導(dǎo)航的參考,當(dāng)某一探測任務(wù)具有高風(fēng)險(xiǎn)時(shí),Koala 還可以先于Marsokhod 進(jìn)行先導(dǎo)探測,以保障Marsokhod 的安全。

圖8 Marsokhod、Sojourner 和KoalaFig.8 Marsokhod, Sojourner and Koala

2.4 美國巖石七號地面試驗(yàn)[5-8]

巖石-7(Rocky-7)是噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory , JPL)于1996年開發(fā)的一臺6輪巡視器地面試驗(yàn)樣機(jī), 如圖9 所示。其大小約60cm×40cm ×25cm,重16kg ;其上安裝了3 對相機(jī):前后各一對寬視場避障相機(jī)和桅桿上一對窄視場導(dǎo)航相機(jī);桅桿距地面約1.4m。

圖9 Rocky-7 探測器示意圖Fig.9 Rocky-7 rover prototype

在1996年和1997年, Rocky-7 曾進(jìn)行了多次地面試驗(yàn),此后主要用于算法的研究和試驗(yàn),包括自主巖石抓取試驗(yàn)和車輪地面接觸性評估技術(shù)試驗(yàn)等。其中比較有代表性的是1997年莫哈維(M ojave)沙漠試驗(yàn)。

試驗(yàn)于1997年5月開始,試驗(yàn)地點(diǎn)仍然是熔巖湖地區(qū)。

試驗(yàn)中使用的模擬降落相機(jī)圖像序列由直升機(jī)拍攝。在Rocky-7 將穿越的4 個(gè)路徑點(diǎn)上方,使用40mm 焦距的Hasselblad 相機(jī)在距地面3 230m、1 668m、862m 、470m、198m、82m 、44m、19m 和7m的高度分別拍攝圖像,然后將圖像送到華盛頓大學(xué)遙感實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行幾何畸變校正和地標(biāo)處理(給圖像的每一個(gè)像素點(diǎn)標(biāo)注經(jīng)緯度)后使用。

試驗(yàn)的主要目的包括:1)驗(yàn)證Rocky-7 進(jìn)行1～2km 長距離穿越的能力;2)驗(yàn)證Rocky-7 桅桿上的莫斯鮑爾(Mossbauer, M B)光譜儀、核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance, NM R)光譜儀和機(jī)械臂上的點(diǎn)反射(Point Reflectance, PR)光譜儀的探測能力;3)驗(yàn)證立體成像系統(tǒng)的性能。

試驗(yàn)于5月22日開始,5月30日結(jié)束,共持續(xù)9d。試驗(yàn)隊(duì)由科學(xué)家和工程師共同組成。試驗(yàn)人員分布于JPL、A mes 和試驗(yàn)場指揮車等各處,無法看到Rocky-7 的運(yùn)動(dòng)情況,只根據(jù)Rocky-7 提供的數(shù)據(jù)(包括圖像、遙測參數(shù)等)和模擬著陸相機(jī)圖像對其進(jìn)行控制。

試驗(yàn)取得了如下成果:

1)在3 種不同地形上驗(yàn)證了巡視器的穿越能力,包括:熔巖流、多坑的沙漠盆地和沖積扇。在試驗(yàn)中,巡視器共行駛了1 058m,獲得了大量的遙測數(shù)據(jù)。

2)開展了4 次科學(xué)試驗(yàn):(1)玄武巖試驗(yàn);(2)風(fēng)化層淤高試驗(yàn);(3)泥裂坑地面試驗(yàn);(4)沖積扇表面試驗(yàn)。試驗(yàn)過程包括拍照、機(jī)械臂投放就位探測和取樣。

3)驗(yàn)證了Rocky-7 對于粗糙地形、灰塵和熱環(huán)境的適應(yīng)能力。沙漠中的地表溫度超過38 ℃,Rocky-7 在試驗(yàn)中展現(xiàn)了良好的耐高溫特性。

4)多點(diǎn)聯(lián)合遙操作試驗(yàn)取得了部分成功,遙科學(xué)網(wǎng)絡(luò)界面(Web Interface for Telescience,WITS)平臺還需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.5 美國“野外集成設(shè)計(jì)和作業(yè)”地面試驗(yàn)[9-12]

“野外集成設(shè)計(jì)和作業(yè)”(Field Integrated Design and Operations,FIDO)巡視器是JPL 開發(fā)的美國火星探測任務(wù)的原型機(jī),大小為1m ×0.75m ×0.5m ,重68kg ,6 輪驅(qū)動(dòng),運(yùn)動(dòng)速度6cm/s,如圖10所示。

FIDO 安裝了前后避障相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)、IM U、太陽敏感器、G PS 等導(dǎo)航設(shè)備,配置了多光譜立體相機(jī)、近紅外點(diǎn)分光計(jì)、彩色微成像裝置、莫斯鮑爾分光計(jì)、迷你巖芯取樣器(Mini-Corer)等科學(xué)探測設(shè)備。

圖10 FIDO 巡視器Fig.10 FIDO rover prototype

作為2003年發(fā)射的火星探測巡游車(Mars Exploration Rovers,ME R)的原型機(jī),FIDO 于1999年到2002年期間進(jìn)行了多次地面試驗(yàn), 包括MarsYard 試驗(yàn)、1999年銀湖(Silver Lake)試驗(yàn)、2000年黑巖頂(Black Rock Summit)試驗(yàn)、2001年Soda 山脈試驗(yàn)和2002年G ray 山脈試驗(yàn)等,驗(yàn)證將用于ME R 的導(dǎo)航、移動(dòng)、遙操作等多項(xiàng)技術(shù)。

2.5.1 1999年MarsYard 試驗(yàn)

MarsYard 是JPL 仿照火星地形建造的一個(gè)人工試驗(yàn)場,用于支持各原型機(jī)在自然光照明條件下的地面試驗(yàn),試驗(yàn)場如圖11 所示。

圖11 MarsYard 全景圖Fig.11 Panoramic map of MarsYard

MarsYard 經(jīng)過了多次擴(kuò)建和改造,目前的大小為66m×36m,其土壤特性和地形特征與火星的部分區(qū)域類似,石塊的顏色、尺寸和分布都按照之前獲取的火星表面圖像來布置。其中土壤是由海沙、花崗巖粉、磚灰和火山灰組成,石塊多呈紅黑色,包括各種形態(tài)的玄武巖(紋理細(xì)密的、多泡的等),另外還包括一些與火星表面不相似的大塊巖石,稀疏分布于試驗(yàn)場,方便搬動(dòng),以適應(yīng)各種試驗(yàn)要求。根據(jù)試驗(yàn)的不同, MarsYard 的石塊、磚塊、溝槽等障礙物需要進(jìn)行針對性布置。為了滿足巡視器爬坡能力驗(yàn)證的需求,目前的MarsYard 還包括一塊坡地(圖11 中左下角的部分)。圖中的黃色建筑是控制室,試驗(yàn)人員和試驗(yàn)設(shè)備都放置于此。

1999年的1月、2月、3月、7月, FIDO 在MarsYard 進(jìn)行了多次試驗(yàn),其中前3 次試驗(yàn)是為1999年4月的銀湖(Silver Lake)試驗(yàn)做準(zhǔn)備。

7月21日到22日,科學(xué)家團(tuán)隊(duì)和工程師團(tuán)隊(duì)在MarsYard 對FIDO 進(jìn)行了聯(lián)合試驗(yàn)。試驗(yàn)計(jì)劃按照每個(gè)火星日來制定,共計(jì)劃了8 個(gè)火星日的活動(dòng),壓縮在2d 的試驗(yàn)時(shí)間中執(zhí)行。試驗(yàn)的主要項(xiàng)目有目標(biāo)搜尋、地形穿越、科學(xué)探測等。FIDO 的多臺設(shè)備包括全景相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)、避障相機(jī)、迷你巖芯取樣器、彩色顯微成像設(shè)備等都在試驗(yàn)中得到了應(yīng)用。

試驗(yàn)取得的成果包括:1)使用全景相機(jī)和紅外點(diǎn)分光計(jì)成功選擇了科學(xué)目標(biāo);2)使用全景相機(jī)、導(dǎo)航相機(jī)和避障相機(jī)成功接近了3 塊巖石;3)成功將迷你巖芯取樣器放置到指定位置,并從2 塊巖石中獲取了樣品;4)成功從2 塊巖石中獲取了5 份巖芯樣品,并使用顯微成像設(shè)備對其成像。

2.5.2 2001年Soda 山脈試驗(yàn)

2001年春,為了對M ER 任務(wù)的巡視器遙操作方法進(jìn)行演練和驗(yàn)證,JPL 在莫哈維沙漠的Soda 山脈附近開展了地面試驗(yàn)。由于M ER 仍處于設(shè)計(jì)階段,試驗(yàn)中使用了其原型機(jī)FIDO。共有超過40 名科學(xué)家、工程師和工作人員參加了試驗(yàn),他們組成了科學(xué)操作工作組(Science Operations Working G roup, SOWG), 在距離試驗(yàn)點(diǎn)180km 的JPL 工作,全面負(fù)責(zé)FIDO 的控制和操作。

試驗(yàn)的主要目標(biāo)是訓(xùn)練SOWG 采用遙操作的手段控制FIDO 完成試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)情況的考察和評估。在試驗(yàn)開始前,SOWG 會(huì)獲得試驗(yàn)區(qū)的航拍圖像和光譜數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)與真實(shí)火星軌道器能夠獲取的數(shù)據(jù)類似。以此為指導(dǎo),SOWG 預(yù)先對試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)情況進(jìn)行粗略分析。試驗(yàn)開始后,SOWG 的指令通過衛(wèi)星通信從JPL 發(fā)出,控制FIDO 進(jìn)行穿越和就位探測,然后通過FIDO 獲取的數(shù)據(jù)對試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行細(xì)化和修正。為了保證試驗(yàn)效果,除了選擇與火星表面類似的地形環(huán)境外,還對通信和時(shí)間等條件進(jìn)行了限制。通信分為超高頻(UHF)和直接向地球通信(DT E)兩條鏈路,嚴(yán)格限制了上下行數(shù)據(jù)的容量和通信窗口,區(qū)分了關(guān)鍵和非關(guān)鍵遙測參數(shù)。試驗(yàn)中嚴(yán)格限定了每日的操作時(shí)間,要在10d 的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)完成20 個(gè)火星日的工作且每天的工作時(shí)間比前一天錯(cuò)開9h。另外,為了更加真實(shí),還在試驗(yàn)中安排了一些意外事件(如UHF通信暫時(shí)中斷、遙測數(shù)據(jù)包丟失等)來訓(xùn)練SOWG應(yīng)對意外問題的能力。

JPL 的FIDO 地面試驗(yàn)控制中心配備了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)工作站用來運(yùn)行W ITS、并行遙測處理器(Parallel Telemetry Processor,PTeP)和多任務(wù)加密通信系統(tǒng)(Multi-M ission Encrypted Communications System ,M ECS)等平臺軟件。通過衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器連接網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)和一臺2.4m 的碟形衛(wèi)星天線構(gòu)成衛(wèi)星通信鏈路,使遙控指令可以通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送給巡視器。作為桌面監(jiān)視器的補(bǔ)充,在操作區(qū)還提供了數(shù)塊大屏幕,整個(gè)操作界面都會(huì)投影到大屏幕上以供操作者使用。SOWG 中任何不在JPL 控制中心和試驗(yàn)現(xiàn)場的成員都可以使用WITS 通過互聯(lián)網(wǎng)參與試驗(yàn),如圖12 所示。

圖12 2001年在JPL 地面試驗(yàn)控制中心的Soda 山脈試驗(yàn)Fig.12 Soda Mountain Field Tests of JPL's ground control center in 2001

在試驗(yàn)現(xiàn)場配備了控制車以供現(xiàn)場操作人員控制巡視器。該控制車包括電力供應(yīng)設(shè)備、一臺計(jì)算機(jī)工作站、一臺便攜式指令/控制計(jì)算機(jī)、一臺以太網(wǎng)(Ethernet)集線器、一臺衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器和各種電子、機(jī)械設(shè)備。控制車的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)通過衛(wèi)星調(diào)制解調(diào)器與試驗(yàn)場的衛(wèi)星天線通信,而FIDO 與控制車之間的無線通信則使用無線以太網(wǎng)單元(一臺放在控制車內(nèi),一臺放在FIDO 上)來實(shí)現(xiàn)?？刂栖嚺鋫淞艘慌_微分GPS 單元與FIDO 的器載G PS 通信以確定其位置,該技術(shù)手段只在實(shí)測時(shí)使用,并不用于試驗(yàn)中的巡視器定位。任何來自于JPL 的指令都通過指令/控制計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給FIDO,FIDO 的所有遙測數(shù)據(jù)也存儲于指令/控制計(jì)算機(jī)并自動(dòng)發(fā)送到JPL 。

試驗(yàn)的典型流程如下:SOWG 首先分析軌道數(shù)據(jù),據(jù)此為巡視器指定初步計(jì)劃包括如何行駛、何處探測等。在第一個(gè)火星日,巡視器使用全景和導(dǎo)航相機(jī)拍攝360°全景圖像。第二個(gè)火星日開始時(shí),SOWG 對全景圖像進(jìn)行分析,選擇感興趣的目標(biāo)點(diǎn)并生成第一個(gè)命令序列,該命令序列一般包括:獲取更多的圖像數(shù)據(jù)和紅外光譜、展開機(jī)械臂獲取數(shù)據(jù)等。接著會(huì)發(fā)送第二個(gè)命令序列,指揮巡視器行駛到科學(xué)家指定的第一個(gè)科學(xué)目標(biāo),巡視器在收到指令后會(huì)自主接近探測目標(biāo)并獲取目標(biāo)的細(xì)節(jié)圖像和光譜信息。在整個(gè)試驗(yàn)中,類似的移動(dòng)和探測活動(dòng)會(huì)多次重復(fù)出現(xiàn),從而獲取大量的探測數(shù)據(jù)包括圖像、光譜和工程遙測數(shù)據(jù)等。FIDO 的器載軟件通過VxW orks 實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)自主處理所有指令序列并將遙測數(shù)據(jù)下傳。

由于試驗(yàn)的仿真度很高,SOWG 的遙操作能力得到很好的鍛煉。在SOWG 的遠(yuǎn)程控制下,FIDO成功的完成了自主移動(dòng)、接近目標(biāo)、展開機(jī)械臂探測、使用車輪挖掘土槽等任務(wù),獲取了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)中,FIDO 共穿越了135m,其中連續(xù)自主穿越的最長距離為40m,平均移動(dòng)速度60m/h。

2.6 美國“MER 地面系統(tǒng)測試平臺”地面試驗(yàn)[13]

為了對ME R 在火星的半自主巡視探測提供進(jìn)一步的技術(shù)支持,2003年夏天,在勇氣號和機(jī)遇號發(fā)射之間,進(jìn)行了一次為期5d 的地面試驗(yàn)。試驗(yàn)中使用了“M ER 的地面系統(tǒng)測試平臺”(Surface System Test Bed,SSTB)。除了沒有實(shí)際的太陽能電池陣和部分電子器件外,SSTB 在外形、功能上與ME R 基本一致,如圖13 所示。

圖13 M ER 地面系統(tǒng)測試平臺(SS TB)Fig.13 Surface System Test Bed of MER

此次試驗(yàn)的主要目的包括:驗(yàn)證器載軟件適應(yīng)環(huán)境的處理能力;驗(yàn)證地面對下傳圖像的處理能力;驗(yàn)證遙操作的工作過程,具體包括命令序列生成和上傳、遙測數(shù)據(jù)下傳、巡視器健康評估等;驗(yàn)證以下幾個(gè)方面的地面操作能力:自然光照條件下波狀地形上的導(dǎo)航、科學(xué)目標(biāo)接近和使用機(jī)械臂進(jìn)行科學(xué)探測的最優(yōu)位置選擇。

試驗(yàn)中,使用了M ER 任務(wù)中用到的部分工具和地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)(G round Data System,GDS),包括科學(xué)規(guī)劃和巡視器行為規(guī)劃中用到的各種軟件。試驗(yàn)中的通信保障條件與先前FIDO 地面試驗(yàn)中的相同,其通信過程如圖14 所示。GDS 將衛(wèi)星傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分發(fā)給操作團(tuán)隊(duì)的各個(gè)成員。由于SSTB 的技術(shù)狀態(tài)與M ER 基本相同,試驗(yàn)中的通信條件也接近實(shí)際過程, 此次試驗(yàn)可稱為是對M ER實(shí)際工作過程的一次很好的演練。

圖14 SS TB 地面試驗(yàn)的通信過程Fig.14 Operation configuration for SSTB ground trial

除了LRV、FIDO、Rocky-7 之外,美國還開發(fā)了游牧者(Nomad)[14-15]、K9[16-17]等原型機(jī),并進(jìn)行了多次地面試驗(yàn),這些試驗(yàn)為美國M ER 任務(wù)的成功奠定了基礎(chǔ)。

2.7 日本微型-5 地面試驗(yàn)[18-19]

除美國、蘇聯(lián)外,日本曾研制了用于月球表面探測的微型-5(M icro-5)探測器,并在地面進(jìn)行了室內(nèi)和室外的綜合試驗(yàn),試驗(yàn)內(nèi)容主要包括地形適應(yīng)性試驗(yàn)和導(dǎo)航、避障試驗(yàn)。

為滿足試驗(yàn)需求,試驗(yàn)場中建設(shè)了沙盤模型用于模擬月表的地形地貌,其中室外試驗(yàn)場占地面積80m×80m,主要模擬了月表的隕石坑、山丘和峽谷等。地面試驗(yàn)場的試驗(yàn)情況參見圖15,圖片顯示,試驗(yàn)中沒有考慮對月表低重力和光照環(huán)境的模擬。

圖15 Micro-5 野外試驗(yàn)Fig.15 Micro-5 in field tests

3 啟示和建議

國外開展的系列試驗(yàn)充分考慮了對巡視器探測環(huán)境的模擬,對巡視器工作過程、遙操作過程進(jìn)行了綜合驗(yàn)證;試驗(yàn)覆蓋了對地面系統(tǒng)、包括操作人員的考核;試驗(yàn)的策劃和模擬程度較高。

建議在吸收和借鑒國外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對我國巡視器的地面試驗(yàn)進(jìn)行論證和策劃。具體來說,國外試驗(yàn)中值得借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)主要包括:

1)試驗(yàn)條件接近真實(shí)。無論其內(nèi)場還是外場試驗(yàn),試驗(yàn)的各項(xiàng)條件都經(jīng)過認(rèn)真設(shè)計(jì),以求盡量與任務(wù)的真實(shí)環(huán)境相似。對試驗(yàn)場地形、通信帶寬、溫度、氣候、光照、通信窗口、數(shù)據(jù)量等都進(jìn)行了限制。例如Lunokhod、LRV 的地面試驗(yàn)還模擬了1/6 重力,FIDO 的地面試驗(yàn)還設(shè)計(jì)了一些意外情況,如通信中斷、數(shù)據(jù)丟失等。在這些高仿真試驗(yàn)條件的保障下,試驗(yàn)結(jié)果基本可以反映真實(shí)情況。

2)試驗(yàn)程序接近真實(shí)。在Marsokhod、Rocky 7、FIDO 等多個(gè)試驗(yàn)平臺的外場試驗(yàn)中,試驗(yàn)流程都與真實(shí)任務(wù)非常相似。試驗(yàn)開始前,操作人員對試驗(yàn)場基本一無所知;試驗(yàn)開始后,操作人員先基于衛(wèi)星圖像和模擬降落相機(jī)圖像進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃,然后再通過巡視器拍攝的各種圖像信息,結(jié)合巡視器本身的狀態(tài)信息對預(yù)先規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行修正,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路徑規(guī)劃,指導(dǎo)巡視器探測。

3)試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)明確。試驗(yàn)將真實(shí)任務(wù)中將會(huì)面臨的各種情況進(jìn)行分解,每次地面試驗(yàn)驗(yàn)證一個(gè)或幾個(gè)主要目標(biāo),通過多次內(nèi)場和外場試驗(yàn)來驗(yàn)證真實(shí)任務(wù)中使用的新技術(shù)、新軟件、新設(shè)備和工作程序,并對任務(wù)參與人員的個(gè)人能力和團(tuán)隊(duì)配合進(jìn)行訓(xùn)練。

4)試驗(yàn)順序一般是先內(nèi)場后外場,先專項(xiàng)后綜合。對于每一個(gè)試驗(yàn)平臺,一般先經(jīng)過內(nèi)場試驗(yàn)驗(yàn)證其部分性能如移動(dòng)、導(dǎo)航、避障等,在此基礎(chǔ)上對試驗(yàn)平臺進(jìn)行修改和完善,然后再進(jìn)行外場試驗(yàn)驗(yàn)證其長距離穿越能力、科學(xué)探測能力、遙操作等內(nèi)場試驗(yàn)難于驗(yàn)證的項(xiàng)目。如FIDO 的地面試驗(yàn)先在MarsYard 開展,然后再去沙漠地區(qū)進(jìn)行外場試驗(yàn)。

5)試驗(yàn)項(xiàng)目基本固定。從各個(gè)試驗(yàn)平臺的多次地面試驗(yàn)來看,試驗(yàn)項(xiàng)目基本是以下4 項(xiàng):移動(dòng)、導(dǎo)航、遙操作和科學(xué)探測。多數(shù)情況下,這些試驗(yàn)項(xiàng)目并非割裂開來分別驗(yàn)證,而是通過一個(gè)綜合的試驗(yàn)過程來驗(yàn)證所有項(xiàng)目。

6)合理的工作流程和默契的團(tuán)隊(duì)配合非常重要。從多個(gè)試驗(yàn)平臺的地面試驗(yàn)結(jié)果來看,由于火星或月球探測任務(wù)中都有通信窗口限制,火星探測還有時(shí)延限制,因此合理安排巡視器的工作流程和團(tuán)隊(duì)的默契配合對于高效地完成探測任務(wù)非常重要。從某種意義上說,相比于某個(gè)專項(xiàng)技術(shù)(如移動(dòng)速度、運(yùn)算能力等)的提高,工作流程和團(tuán)隊(duì)配合的完善能夠更有效地提高巡視器的工作效率、保障巡視器的安全。

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