嫦娥四號巡視器遙操作地面支持系統設計

金晟毅 李海飛 彭松 溫博 賈陽 申振榮 田鶴 張天翼

(北京空間飛行器總體設計部，北京 100094)

國外從20世紀60年代開始研制能夠支持月球或火星巡視探測的地面遙操作控制系統，20世紀70年代蘇聯的月球車-1(Lunokhod-1)和月球車-2(Lunokhod-2)巡視器地面系統僅支持地面人員根據小畫幅圖像進行綜合的判斷和控制，效率較低，缺少局部的自主安全保障[1]。1997年美國“旅居者”(Sojourner)火星巡視器的操作模式采用遙操作加半自主模式，使大延時的地面遙操作成為可能[2]。美國“火星探測巡視器”(MER)和好奇號火星車本身具有較高的自主能力，地面遙操作系統可支持科學家和工程人員開展評估、分析、規劃、仿真和決策等處理，使巡視器能夠完成較復雜的科學探測任務[3]。歐洲航天局預計2020發射的火星生物學(ExoMars)探測器，建立了巡視器操作控制中心(The Rover Operation Control Center，ROCC)用來對執行巡視器的遙操作任務，使其在火星地形仿真系統的基礎上，實現巡視器的操作控制[4-5]，目前ROCC還處于建設階段。我國于2018年12月8日發射的嫦娥四號探測器實現了人類首次的月球背面巡視探測，其地面遙操作控制系統需要考慮環境溫度、光照、測控、能源以及中繼通信等各方面的約束，在非結構化復雜的月背任務執行環境中，及時安全準確的制定巡視探測目標、運行路線和科學探測策略等，并結合巡視器自有的自主導航能力，安全高效地控制巡視器完成科學探測任務。

本文以嫦娥四號巡視器月面巡視任務為背景，針對嫦娥四號巡視器遙操作地面支持系統自身特點和工作方式進行了研究、設計和系統構建。該系統成功支持并完成了嫦娥四號巡視器設計壽命期內的遙操作支持任務。

1 系統功能和總體設計

為了在非結構化復雜環境中確保月面巡視探測任務的可靠安全執行，巡視器操作控制系統采用“巡視器-地面系統”功能一體化設計。月面巡視器和地面支持系統間通過前、返向通信鏈路相互進行信息傳遞。巡視器具有一定的自主能力，能夠完成自主導航行走等動作。如圖1所示，巡視器、中繼衛星、地面測控網以及地面支持系統共同組成一體化系統，共同協同配合完成月面巡視探測任務。下文重點針對圖1中地面支持系統部分的設計進行說明。

通過借鑒美國“火星探測巡視器”地面控制系統和歐洲航天局“巡視器操作控制中心”系統的設計經驗，嫦娥四號巡視器地面支持系統的設計，一方面能夠實現對巡視器運行狀態的多維可視化監視，另一方面兼顧對巡視器任務環境的數字和物理模型構建，在構建的模型上開展對月面巡視器規劃控制策略的數字或物理仿真驗證，提高了巡視器在軌運行的控制安全性和可靠性。

地面支持系統采用模塊化設計和實現，系統構成示意如圖2所示，地面支持系統包括接口與信息管理模塊、數字環境構建模塊、規劃策略數字仿真模塊、任務決策及策略規劃模塊、可視化呈現模塊以及物理仿真模塊。其中物理仿真模塊還需要包括驗證器供電及控制模塊、月面環境構建平臺、巡視器驗證器、月面環境測量模組等。

2 系統設計和實現

巡視器執行月面任務期間，地面支持系統中的接口與信息管理模塊從地面測控中心處接收巡視器下行的工程遙測和圖像文件數據，完成數據解析和處理后分發給數字環境構建模塊生成數字環境模型(見圖2)。

任務決策及策略規劃模塊基于數字環境模型，選擇和確認下一步的任務目標，并對目標所需要巡視器完成的動作控制策略進行規劃。控制策略規劃完成后將控制策略提交規劃策略數字仿真模塊進行數字仿真，同時決策是否啟動物理仿真模塊進行物理仿真。

規劃策略數字仿真模塊和物理仿真模塊，根據需要按照數字環境模型構建仿真環境，并開展控制策略的仿真驗證，將仿真過程數據連同接口與信息管理模塊處理后的遙測和圖像，數字環境構建模塊生成的數字環境模型，送至可視化呈現模塊進行多維狀態呈現。任務決策及策略規劃模塊根據呈現的狀態，決策巡視器的任務執行狀態與控制策略是否正確和匹配，并將決策后的控制策略文件通過接口與信息管理模塊回送給地面測控中心進行月面巡視器的遙控操作。

2.1 接口與信息管理模塊

接口與信息管理模塊主要負責處理對內和對外兩個層面數據，對內負責處理、分發、存儲和管理地面支持系統內部數據、信息和文件，對外則與地面測控中心之間進行數據和文件交換，接口與信息管理模塊設計如圖3所示。

圖3 接口與信息模塊設計示意圖

接口與信息管理模塊負責任務支持系統整體信息交換的構架設計，主要設置有接口信息管理服務器、數據庫/任務管理服務器和音/視頻服務器，以及輔助網絡設施和計算機。設計有不同的Vlan實現系統模塊化功能劃分和組裝，同時實現數據共享及管理。

接口信息管理服務軟件運行在主備兩個P910工作站上，軟件使用Qt跨平臺編譯器實現C++語言編制，代碼運行于Redhat Linuix 5.5平臺。數據庫和任務管理服務器使用基于MongoDB的分布式文件存儲數據庫，實現對任務和數據的存儲和管理。

2.2 數字環境構建模塊

巡視器上的雙目相機將會對所處的月面環境進行環拍。數據下傳至地面支持系統進行圖像解碼、融合拼接、三維地形重構和數字微分糾正和填充，形成正攝影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)和數字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。圖4是巡視器完成環拍后扇形拼接圖，圖5是經過三維地形重構和處理生成的DEM圖和DOM圖。

將生成的地形產品與巡視器或著陸器三維模型、歷史地形產品進行特征點和位置拼接融合，完成數字環境構建。圖6是完成的數字環境構建示意圖。

圖4 全景拼接圖

圖5 DEM和DOM圖

圖6 數字環境模型的可視化示意圖

2.3 任務決策和策略規劃

任務決策和策略規劃是在基于構建的數字環境模型上，對下一步任務目標進行確定，并對確認后的目標所需要巡視器完成的動作控制策略進行規劃。常規情況下，該部分需要完成行走規劃、定向天線對中繼衛星指向規劃及太陽翼對日定向規劃計算等功能。

1)行走規劃

由于在月面表面上行走，規劃空間可以僅考慮二維情況[6]為

{(x,y)||x|≤δx,|y|≤δy}

(1)

式中：(x,y)表示以巡視器當前位置為坐標系原點O,X、Y方向的偏移量分別為x、y的平面空間上的點，δx和δy分別為X、Y方向位置約束。

將當前地形產品DEM圖，分割為(2M+1)×(2N+1)個網格單元(其中M和N為正整數)形成二維地圖矩陣MA，對空間的網格點C(i,j)的定義為

{C(i,j)∈MA|x=i,y=j,(|i|≤M,|j|≤N)}

(2)

定義起點所在網格單元標識為S(0,0)∈MA，將給定目標點所在的網格標識為G(x,y)∈MA。

為確保安全，一般要求巡視器行走在較為開闊并且地形較為平坦的路徑之上，路徑還應保證與大石塊、深坑和急陡坡有一定的安全距離。為此需對二維地圖矩陣MA上的每個單元的地理信息進行評價，并轉換為風險代價矩陣MC。

根據本文所述數字環境模型的特點，風險代價矩陣的算法是以S(0,0)為起點使p=S(0,0)，取其鄰域Lp(定義如式(3))的高程值，如圖7、圖8所示，計算p的梯度向量ΔHp以及二階梯度向量Δ2Hp。

{C(i,j)?Lp|C(i,j)∈MA,

(3)

每個網格p點向量表示為{i,j,Hp,ΔHp,Δ2Hp|i|≤M,|j|≤N}，反應了相應的位置和地形紋理特征。其中ΔHp通過式(4)計算得出，Δ2Hp通過式(5)計算得出。

圖7 梯度向量計算示意

圖8 二階梯度向量計算示意

(4)

(5)

每個p網格點的位置和紋理屬性均是以起始點S為基準進行計算，這樣計算的好處是能夠較為方便的理解相對于當前巡視器的位姿，展現出地形上的相對坡起和下凹。對二維地圖矩陣MA上的每個網格點p進行分類，識別出巡視器不可放置或通過區域，并以2個單元的約束進行膨脹外擴，確保行走路徑規劃的安全，同時將紋理特征不明顯的點賦予較小的代價值，形成風險代價矩陣MC。圖9是渲染后的風險代價矩陣MC，綠色區域是紋理特征適合于巡視器通過的網格點，橙色是具有較大代價值的網格點，紅色區域為不可放置或通過區域?；谠揗C采用A*算法[7]進行最優行走路徑規劃，形成的規劃路徑結果如圖10所示。

圖9 渲染后的MC示意

圖10 S點至G點路徑規劃結果

2)定向天線對中繼衛星指向規劃

根據中繼衛星軌道根數，以及巡視器在月面的位置(經度、緯度)、姿態(偏航、俯仰、滾動)和指向時刻，計算定向天線的兩個轉角，然后控制定向天線在指向時刻運動到位(計算過程要提前，以保證定向天線恰好在指向時刻運動到位)，實現定向天線對準中繼衛星。

定向天線對中繼衛星指向規劃算法在文獻[8]中已有詳細介紹，與文獻中介紹的定向天線對地指向規劃方法類似，對中繼衛星的指向規劃算法流程如圖11所示。

圖11 定向天線中繼指向規劃算法流程

針對當前巡視器與中繼衛星的位姿狀態下無解的情況，可通過巡視器原地轉彎改變巡視器姿態操作，使定向天線能夠指向中繼衛星。

（4）穩健性檢驗。通過上文的實證分析，發現根據實證檢驗驗證得到上文的三個假設都是合理的，為了提高本文研究結果的可信度，本文又利用應計—現金流關系模型對BASU模型進行進一步檢驗。利用應計—現金流模型，需要選取上文所研究公司的相關財務數據，在此基礎上加上上文所研究的三個變量（內部控制評價主體、內部控制缺陷、內部控制評價報告），不改變7個自變量的數據處理方法，進行多元線性回歸分析，進而得到三個變量對會計穩健性影響結論，對比發現這兩個模型所得到的研究結論具有一致性。

3)太陽翼對日指向規劃

同定向天線指向中繼衛星算法類似，在當前巡視器位姿狀態下，通過時間檢索當前太陽相對巡視器的相對位置，并形成位姿向量Rsun，通過遍歷巡視器+Y太陽翼所有可能的展開角度，計算尋找太陽翼法向量相對與位姿向量Rsun的夾角最小的展開角度，并進一步計算太陽光在太陽翼面上的正射投影面積，可估計太陽翼的發電功率等信息。

2.4 策略規劃的數字化仿真

策略規劃的數字化仿真是將任務決策和策略規劃所生成的規劃成果，結合構建的數字環境，模擬驅動巡視器執行規劃成果中要求的動作，并實時輸出巡視器狀態信息和風險警告。

地面支持系統設計所支持的巡視器原地轉彎規劃、曲線行走規劃仿真，如圖12和圖13所示，能夠對巡視器行進過程的路徑、姿態和車轍進行3D呈現，輔助操作人員決策行進策略是否合理可行。

圖13 曲線行走仿真規劃

此外系統還能夠對定向天線指向中繼衛星規劃、太陽翼指向太陽規劃進行仿真，如圖14和圖15所示，仿真結果能夠幫助操作人員決策規劃的正確與否。相機視場仿真，能夠模擬巡視器上的相機傳感器視場，進行相機視場呈現。仿真結果如圖16所示。

圖14 定向天線指向中繼衛星規劃仿真

圖15 太陽翼指向太陽規劃仿真

圖16 相機視場仿真

策略規劃的數字化仿真，能夠快速的計算出規劃策略是否正確可行的評價，在常規情況下，給予操作人員一定的決策支持。

2.5 物理仿真模塊

月面環境構建平臺配置用于模擬月面光照的平行光燈陣，用于模擬月面重力的恒拉力隨動天車系統以及能夠構建月面地形地貌的地形地貌構建平臺。當決策需要開展物理仿真驗證后，按照月面數字構建的DEM圖在地形地貌構建平臺上構建模擬地形，之后月面環境測量模組中的激光掃描儀對模擬地形進行掃描生成新的DEM，與月面地形DEM進行誤差比對，并進行地形構建完善。地形構建完成后將巡視器驗證器吊放置要求的地形位置之上，啟動恒拉力隨動天車系統模擬月面重力環境。調整平行光燈陣的照射角度和亮度，啟動燈陣模擬當前月面光照狀態。按照規劃的策略控制巡視器驗證器完成規定的動作，形成驗證報告，交由物理仿真驗證決策確認規劃策略是否可應用于月面巡視器的操作控制。

圖19、圖20分別是模擬地形構建的效果以及掃描后生成的DEM圖。圖21展示了巡視器驗證器開展上坡運動策略的物理驗證的情況。

圖19 模擬地形構建

圖20 構建模擬地形的DEM圖

圖21 巡視器驗證器進行物理仿真驗證

2.6 多維可視化呈現

多維可視化呈現模塊將基于構建的數字環境，監收巡視器/驗證器下行的工程數據，根據工程數據內容，驅動巡視器/驗證器模型中的關節、運動機構和設備模塊，將巡視器/驗證器狀態直觀的進行三維呈現。同時結合時間、地形地貌、巡視器機構運行狀態等參數，將光照產生的反射和陰影，地形地貌導致的巡視器輪地交互狀態以及巡視器機構運行后產生的車轍等進行呈現。輔助地面操作和決策人員準確及時地了解巡視器/驗證器工作狀態，執行流程示意如圖22所示。該模塊在執行任務前啟動，循環并持續監收加載最新構建的數字環境模型及各類工程數據，進行多維可視化呈現。

圖22 多維可視化流程

圖23是巡視器月面從LE00204點運行至LE00205點的呈現情況，由圖23可見，巡視器運動起始點編號、當前目標點編號、當前巡視器位姿等數據被實時進行呈現，同時著陸器相對于巡視器的位姿關系，當前時刻的光照陰影，以及巡視器運行的車轍均能夠被有效地呈現。

圖23 多維呈現實例

3 在軌應用

2019年01月10日巡視器與著陸器分離后行駛到達A′點，對巡視器在A′的定位信息見表1。

表1 A′點定位信息

在該位置下巡視器姿態為：滾動角-1.165°，俯仰角1.348°，偏航角-10.723°。巡視器在A′點進行了感知成像，進行全景拼接后如圖24所示。

圖24 A′點全景成像

進行數字環境構建，明確B′點目標位置相對著陸器坐標為(1.288，-6.635)，巡視器目標偏航要求為2°(北東地坐標系)。開展了行走規劃，行走策略見表2。

表2 A′行走至B′點規劃

對行進規劃進行仿真如圖25所示，發現規劃路徑存在巡視器與著陸器距離過近容易產生碰撞風險。重新對規劃結果進行調整后，再次進行數字仿真并通過了仿真。最終巡視器的行走路線如圖26紅線所示(仿真路線如圖26綠線所示)，巡視器安全到達目標B′點。

圖25 行走仿真示意圖

圖26 實際行走路徑

4 結束語

本文針對嫦娥四號巡視器月面工作特點，對地面支持系統進行了研究和設計，對各個模塊的設計進行了介紹和說明，通過一個真實在軌應用，驗證了設計的地面支持系統能夠很好地支持巡視器月面巡視探測任務執行。目前，地面支持系統已完成既定的在軌支持任務，后續還將繼續對巡視器的狀態進行監視。系統中包含的物理仿真模塊未在本次嫦娥四號巡視器月面工作任務中得到應用和檢驗，后續將持續對物理仿真模塊進行維護和升級改造。