國外星體表面巡視探測器地面試驗方法分析

顧 征 任德鵬

(北京空間飛行器總體設計部,北京100094)

1 引言

巡視探測是深空探測領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,將會經歷復雜、特殊的空間環境,由于人類尚未全面和準確地認識到星體表面環境會對巡視器產生的影響,因此需要在地面進行專項試驗,以驗證巡視器的環境適應能力。此外,巡視器研制過程中使用的新技術、新材料,巡視器在軌運行時地面任務支持人員的操控能力,都需要通過地面試驗來驗證和訓練,因此,地面試驗是巡視器設計過程中的必要環節,是驗證巡視器設計狀態的最直接、最有效的方式。

文章在充分調研國外星體表面巡視探測器典型地面試驗的基礎上,對其進行了詳細分析,總結了地面試驗的特點和規律,可以為我國相關試驗的開展提供借鑒。

2 巡視器地面試驗

2.1 蘇聯“月球車”地面試驗

蘇聯在20 世紀中期探月期間,成功發射了“月球車”(Lunokhod)系列探測器,探測器研制過程中建設了室內的綜合試驗場并開展了綜合試驗。

試驗場占地面積50m ×50m,其中建有月表地形地貌的模擬系統,主要模擬月球環形坑、溝壑和巖石等,如圖1 所示。開展的試驗項目主要有移動性能試驗、遙操作試驗、探測器的導航和避障試驗等。

在移動性能試驗中,考慮了對月表低重力環境的模擬,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,模擬裝置安裝在環形導軌上并能夠與探測器的運動保持同步。

遙操作試驗主要驗證了地面操作人員的路徑規劃能力,遙操作試驗規劃如圖3 所示。

圖1 Lunokhod 地面試驗場概貌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 用于研究遙控系統的人造場地規劃圖Fig.3 Layout of artificial trial field

2.2 美國“月面巡視車”地面試驗

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空間環境模擬實驗室(SES L),以提供Apollo 時期所有載人航天器和“月面巡視車”(LRV)的地面試驗。該模擬器可以進行低重力和真空條件的模擬,以驗證設備在月表環境中的工作性能。

洛克希德導彈和空間公司(LM SC)建立了室內的地面試驗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)進行月球模擬的地面土壤行駛性試驗Fig.4 LRV in the mobility tests

此外,Apollo 工程時期,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場(Lunar Topographic Simulation A rea),用于訓練宇航員并測試月球車,如圖5 所示。從照片上看,試驗場比較小,由散滿石塊的沙石地構成,頗似戈壁灘。

2.3 美俄火星飛行器地面試驗[1-4]

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

圖5 約翰遜航天中心的月球地貌試驗場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

為了驗證Marsokhod 的導航、移動、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,主要包括:1993年的俄羅斯堪察加半島試驗測試了巡視器和其成像設備的虛擬現實遙控;1994年的美國莫哈維沙漠試驗驗證了大延時情況下科學團隊的配合;1995年的美國Kilauea 火山試驗驗證了新增控制器和多種先進的控制模式;1996年美國亞利桑那州Painted 沙漠的地面試驗集中驗證了車載敏感器、控制模式、自主能力、取樣能力和遙操作下的模擬科學探測;1999年美國莫哈維(M ojave)沙漠試驗驗證了Marsokhod 的技術能力和科學探測策略,以尋找更高效的、能夠在科學和工程上取得更大收獲的行星巡視器操作方法。下面重點介紹1996年的Painted 沙漠試驗。

Paninted 沙漠植被稀少、地質復雜、地形地貌與火星表面頗為相似,但試驗前,試驗隊對試驗場位置和當地地質的資料獲知較少。試驗中受各種條件的限制,模擬探測器在火星表面持續數周甚至數月的操作過程被壓縮為6d。模擬下降圖像序列是在試驗開始前數周,使用直升飛機在試驗區拍攝得到的,模擬衛星圖像則通過高空拍攝獲得,而試驗區的高分辨率全景圖在試驗開始前就拍攝完畢。

試驗的控制中心設置在艾姆斯研究中心(Ames Research Center, A RC),科學家和工程師在這里聯合對Marsokhod 進行操作。控制中心和試驗場之間的通信使用112kbit/s 的商業衛星鏈路實現。

A RC 的Marsokhod 團隊開發了一個網絡平臺來進行試驗數據的共享,網絡平臺可以提供的數據包括:最新的圖像和遙測數據(每分鐘更新一次)、用于紅藍眼鏡觀測的立體圖像、標注了巡視器行駛路徑的航拍圖像、全景圖像、任務日志、任務背景、控制屏截圖、相機參數、Marsokhod 規格參數、試驗人員和裝備圖片、試驗現場圖片、試驗場信息等。

試驗的主要目的有3 個:1)全面了解試驗區的地質學和生物學概況;2)測試將于1997年7月用于“火星探路者”(Mars Pathfinder)任務和“旅居者”(Sojourner)巡視器的各種技術;3)建立一種快速探測模式。

為了完成上述目標,整個試驗被分成了3 個環節:探路者任務模擬、全面探測和快速探測,各環節各占2d 的時間。首先開始的是探路者任務模擬,由于探路者任務中沒有配置降落相機,在該階段試驗中不會提供模擬降落相機圖像。模擬降落相機圖像只在后兩個試驗階段提供,試驗隊可以據此選擇模擬著陸區之外的科學探測點。在最后的快速探測階段中,巡視器路徑規劃只使用模擬降落相機圖像來完成,不再考慮在每一個路徑點的科學考察。

在每一環節的試驗中,巡視器從模擬著陸點開始探測,該階段試驗結束后,巡視器又會被重新運回模擬著陸點。經過里程計的測算,在整個試驗過程中,巡視器共行進了469m, 單次最長行駛路徑45.3m,如圖7 所示。

試驗中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新的目標點,通過視覺導航引導巡視器接近目標點,巡視器的位置和航向通過車載相機和模擬降落相機圖像來修正。為了使巡視器盡可能地靠近目標點,該過程可能多次實施,有時還會采用手動駕駛。在巡視器到達一個既可以接觸目標又不會遮擋相機視場的理想位置后,工程師就會進行機械臂的投放,機械臂相對于目標物的位置和方向通過前視相機圖像來校準,在完成科學任務后,機械臂會回到原位,巡視器則開始下一個目標的探測。

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

在完成主要的試驗目標之外,Paninted 沙漠試驗還進行了微型巡視器輔助試驗,研究使用微型巡視器輔助Marsokhod 探測的可行性。試驗中使用了一臺大小僅為32cm ×32cm ×20cm、攜帶一臺單色相機、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 的成像標定參照物,其攜帶的單色相機能夠為Marsokhod 提供額外的圖像信息作為導航的參考,當某一探測任務具有高風險時,Koala 還可以先于Marsokhod 進行先導探測,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[5-8]

巖石-7(Rocky-7)是噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory , JPL)于1996年開發的一臺6輪巡視器地面試驗樣機, 如圖9 所示。其大小約60cm×40cm ×25cm,重16kg ;其上安裝了3 對相機:前后各一對寬視場避障相機和桅桿上一對窄視場導航相機;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 曾進行了多次地面試驗,此后主要用于算法的研究和試驗,包括自主巖石抓取試驗和車輪地面接觸性評估技術試驗等。其中比較有代表性的是1997年莫哈維(M ojave)沙漠試驗。

試驗于1997年5月開始,試驗地點仍然是熔巖湖地區。

試驗中使用的模擬降落相機圖像序列由直升機拍攝。在Rocky-7 將穿越的4 個路徑點上方,使用40mm 焦距的Hasselblad 相機在距地面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遙感實驗室進行幾何畸變校正和地標處理(給圖像的每一個像素點標注經緯度)后使用。

試驗的主要目的包括:1)驗證Rocky-7 進行1～2km 長距離穿越的能力;2)驗證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)光譜儀和機械臂上的點反射(Point Reflectance, PR)光譜儀的探測能力;3)驗證立體成像系統的性能。

試驗于5月22日開始,5月30日結束,共持續9d。試驗隊由科學家和工程師共同組成。試驗人員分布于JPL、A mes 和試驗場指揮車等各處,無法看到Rocky-7 的運動情況,只根據Rocky-7 提供的數據(包括圖像、遙測參數等)和模擬著陸相機圖像對其進行控制。

試驗取得了如下成果:

1)在3 種不同地形上驗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。在試驗中,巡視器共行駛了1 058m,獲得了大量的遙測數據。

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

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

4)多點聯合遙操作試驗取得了部分成功,遙科學網絡界面(Web Interface for Telescience,WITS)平臺還需要進一步改進。

2.5 美國“野外集成設計和作業”地面試驗[9-12]

“野外集成設計和作業”(Field Integrated Design and Operations,FIDO)巡視器是JPL 開發的美國火星探測任務的原型機,大小為1m ×0.75m ×0.5m ,重68kg ,6 輪驅動,運動速度6cm/s,如圖10所示。

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

圖10 FIDO 巡視器Fig.10 FIDO rover prototype

作為2003年發射的火星探測巡游車(Mars Exploration Rovers,ME R)的原型機,FIDO 于1999年到2002年期間進行了多次地面試驗, 包括MarsYard 試驗、1999年銀湖(Silver Lake)試驗、2000年黑巖頂(Black Rock Summit)試驗、2001年Soda 山脈試驗和2002年G ray 山脈試驗等,驗證將用于ME R 的導航、移動、遙操作等多項技術。

2.5.1 1999年MarsYard 試驗

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

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

MarsYard 經過了多次擴建和改造,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,包括各種形態的玄武巖(紋理細密的、多泡的等),另外還包括一些與火星表面不相似的大塊巖石,稀疏分布于試驗場,方便搬動,以適應各種試驗要求。根據試驗的不同, MarsYard 的石塊、磚塊、溝槽等障礙物需要進行針對性布置。為了滿足巡視器爬坡能力驗證的需求,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,試驗人員和試驗設備都放置于此。

1999年的1月、2月、3月、7月, FIDO 在MarsYard 進行了多次試驗,其中前3 次試驗是為1999年4月的銀湖(Silver Lake)試驗做準備。

7月21日到22日,科學家團隊和工程師團隊在MarsYard 對FIDO 進行了聯合試驗。試驗計劃按照每個火星日來制定,共計劃了8 個火星日的活動,壓縮在2d 的試驗時間中執行。試驗的主要項目有目標搜尋、地形穿越、科學探測等。FIDO 的多臺設備包括全景相機、導航相機、避障相機、迷你巖芯取樣器、彩色顯微成像設備等都在試驗中得到了應用。

試驗取得的成果包括:1)使用全景相機和紅外點分光計成功選擇了科學目標;2)使用全景相機、導航相機和避障相機成功接近了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,并使用顯微成像設備對其成像。

2.5.2 2001年Soda 山脈試驗

2001年春,為了對M ER 任務的巡視器遙操作方法進行演練和驗證,JPL 在莫哈維沙漠的Soda 山脈附近開展了地面試驗。由于M ER 仍處于設計階段,試驗中使用了其原型機FIDO。共有超過40 名科學家、工程師和工作人員參加了試驗,他們組成了科學操作工作組(Science Operations Working G roup, SOWG), 在距離試驗點180km 的JPL 工作,全面負責FIDO 的控制和操作。

試驗的主要目標是訓練SOWG 采用遙操作的手段控制FIDO 完成試驗區地質情況的考察和評估。在試驗開始前,SOWG 會獲得試驗區的航拍圖像和光譜數據,這些數據與真實火星軌道器能夠獲取的數據類似。以此為指導,SOWG 預先對試驗區的地質情況進行粗略分析。試驗開始后,SOWG 的指令通過衛星通信從JPL 發出,控制FIDO 進行穿越和就位探測,然后通過FIDO 獲取的數據對試驗區地質情況進行細化和修正。為了保證試驗效果,除了選擇與火星表面類似的地形環境外,還對通信和時間等條件進行了限制。通信分為超高頻(UHF)和直接向地球通信(DT E)兩條鏈路,嚴格限制了上下行數據的容量和通信窗口,區分了關鍵和非關鍵遙測參數。試驗中嚴格限定了每日的操作時間,要在10d 的試驗時間內完成20 個火星日的工作且每天的工作時間比前一天錯開9h。另外,為了更加真實,還在試驗中安排了一些意外事件(如UHF通信暫時中斷、遙測數據包丟失等)來訓練SOWG應對意外問題的能力。

JPL 的FIDO 地面試驗控制中心配備了網絡計算機工作站用來運行W ITS、并行遙測處理器(Parallel Telemetry Processor,PTeP)和多任務加密通信系統(Multi-M ission Encrypted Communications System ,M ECS)等平臺軟件。通過衛星調制解調器連接網絡計算機和一臺2.4m 的碟形衛星天線構成衛星通信鏈路,使遙控指令可以通過互聯網發送給巡視器。作為桌面監視器的補充,在操作區還提供了數塊大屏幕,整個操作界面都會投影到大屏幕上以供操作者使用。SOWG 中任何不在JPL 控制中心和試驗現場的成員都可以使用WITS 通過互聯網參與試驗,如圖12 所示。

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

在試驗現場配備了控制車以供現場操作人員控制巡視器。該控制車包括電力供應設備、一臺計算機工作站、一臺便攜式指令/控制計算機、一臺以太網(Ethernet)集線器、一臺衛星調制解調器和各種電子、機械設備。控制車的網絡計算機通過衛星調制解調器與試驗場的衛星天線通信,而FIDO 與控制車之間的無線通信則使用無線以太網單元(一臺放在控制車內,一臺放在FIDO 上)來實現。控制車配備了一臺微分GPS 單元與FIDO 的器載G PS 通信以確定其位置,該技術手段只在實測時使用,并不用于試驗中的巡視器定位。任何來自于JPL 的指令都通過指令/控制計算機轉發給FIDO,FIDO 的所有遙測數據也存儲于指令/控制計算機并自動發送到JPL 。

試驗的典型流程如下:SOWG 首先分析軌道數據,據此為巡視器指定初步計劃包括如何行駛、何處探測等。在第一個火星日,巡視器使用全景和導航相機拍攝360°全景圖像。第二個火星日開始時,SOWG 對全景圖像進行分析,選擇感興趣的目標點并生成第一個命令序列,該命令序列一般包括:獲取更多的圖像數據和紅外光譜、展開機械臂獲取數據等。接著會發送第二個命令序列,指揮巡視器行駛到科學家指定的第一個科學目標,巡視器在收到指令后會自主接近探測目標并獲取目標的細節圖像和光譜信息。在整個試驗中,類似的移動和探測活動會多次重復出現,從而獲取大量的探測數據包括圖像、光譜和工程遙測數據等。FIDO 的器載軟件通過VxW orks 實時處理系統自主處理所有指令序列并將遙測數據下傳。

由于試驗的仿真度很高,SOWG 的遙操作能力得到很好的鍛煉。在SOWG 的遠程控制下,FIDO成功的完成了自主移動、接近目標、展開機械臂探測、使用車輪挖掘土槽等任務,獲取了大量的試驗數據。在試驗中,FIDO 共穿越了135m,其中連續自主穿越的最長距離為40m,平均移動速度60m/h。

2.6 美國“MER 地面系統測試平臺”地面試驗[13]

為了對ME R 在火星的半自主巡視探測提供進一步的技術支持,2003年夏天,在勇氣號和機遇號發射之間,進行了一次為期5d 的地面試驗。試驗中使用了“M ER 的地面系統測試平臺”(Surface System Test Bed,SSTB)。除了沒有實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 地面系統測試平臺(SS TB)Fig.13 Surface System Test Bed of MER

此次試驗的主要目的包括:驗證器載軟件適應環境的處理能力;驗證地面對下傳圖像的處理能力;驗證遙操作的工作過程,具體包括命令序列生成和上傳、遙測數據下傳、巡視器健康評估等;驗證以下幾個方面的地面操作能力:自然光照條件下波狀地形上的導航、科學目標接近和使用機械臂進行科學探測的最優位置選擇。

試驗中,使用了M ER 任務中用到的部分工具和地面數據系統(G round Data System,GDS),包括科學規劃和巡視器行為規劃中用到的各種軟件。試驗中的通信保障條件與先前FIDO 地面試驗中的相同,其通信過程如圖14 所示。GDS 將衛星傳回的數據進行處理并分發給操作團隊的各個成員。由于SSTB 的技術狀態與M ER 基本相同,試驗中的通信條件也接近實際過程, 此次試驗可稱為是對M ER實際工作過程的一次很好的演練。

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

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

2.7 日本微型-5 地面試驗[18-19]

除美國、蘇聯外,日本曾研制了用于月球表面探測的微型-5(M icro-5)探測器,并在地面進行了室內和室外的綜合試驗,試驗內容主要包括地形適應性試驗和導航、避障試驗。

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

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

3 啟示和建議

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

建議在吸收和借鑒國外成功經驗的基礎上,對我國巡視器的地面試驗進行論證和策劃。具體來說,國外試驗中值得借鑒的成功經驗主要包括:

1)試驗條件接近真實。無論其內場還是外場試驗,試驗的各項條件都經過認真設計,以求盡量與任務的真實環境相似。對試驗場地形、通信帶寬、溫度、氣候、光照、通信窗口、數據量等都進行了限制。例如Lunokhod、LRV 的地面試驗還模擬了1/6 重力,FIDO 的地面試驗還設計了一些意外情況,如通信中斷、數據丟失等。在這些高仿真試驗條件的保障下,試驗結果基本可以反映真實情況。

2)試驗程序接近真實。在Marsokhod、Rocky 7、FIDO 等多個試驗平臺的外場試驗中,試驗流程都與真實任務非常相似。試驗開始前,操作人員對試驗場基本一無所知;試驗開始后,操作人員先基于衛星圖像和模擬降落相機圖像進行任務規劃,然后再通過巡視器拍攝的各種圖像信息,結合巡視器本身的狀態信息對預先規劃結果進行修正,在此基礎上進行路徑規劃,指導巡視器探測。

3)試驗目標明確。試驗將真實任務中將會面臨的各種情況進行分解,每次地面試驗驗證一個或幾個主要目標,通過多次內場和外場試驗來驗證真實任務中使用的新技術、新軟件、新設備和工作程序,并對任務參與人員的個人能力和團隊配合進行訓練。

4)試驗順序一般是先內場后外場,先專項后綜合。對于每一個試驗平臺,一般先經過內場試驗驗證其部分性能如移動、導航、避障等,在此基礎上對試驗平臺進行修改和完善,然后再進行外場試驗驗證其長距離穿越能力、科學探測能力、遙操作等內場試驗難于驗證的項目。如FIDO 的地面試驗先在MarsYard 開展,然后再去沙漠地區進行外場試驗。

5)試驗項目基本固定。從各個試驗平臺的多次地面試驗來看,試驗項目基本是以下4 項:移動、導航、遙操作和科學探測。多數情況下,這些試驗項目并非割裂開來分別驗證,而是通過一個綜合的試驗過程來驗證所有項目。

6)合理的工作流程和默契的團隊配合非常重要。從多個試驗平臺的地面試驗結果來看,由于火星或月球探測任務中都有通信窗口限制,火星探測還有時延限制,因此合理安排巡視器的工作流程和團隊的默契配合對于高效地完成探測任務非常重要。從某種意義上說,相比于某個專項技術(如移動速度、運算能力等)的提高,工作流程和團隊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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