童小華：深空探測成為測繪遙感的前沿和新戰場

◎ 徐 紅

深空探測是人類探索宇宙奧秘和尋求永續發展的重要途徑，是拓展人類生存空間、豐富人類認知的重大新興領域。日前，同濟大學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與技術的前沿和新戰場，得到全新發展。

測繪遙感技術在深空探測中起著極為關鍵的作用，是月球與深空探測任務的主要手段和重要支撐。同濟大學在深空探測測繪遙感與自主導航定位領域有著多年探索和實踐，曾先后參與了“嫦娥”系列月球探測和“天問一號”火星探測等多項深空探測測繪任務，有著一定的技術積累。

面對高質量發展新要求和國家航天事業發展新需求，我國深空探測測繪遙感與導航定位技術如何創新發展？同濟大學如何發揮自身優勢，加快推動我國地外天體探測測繪遙感技術的發展和應用？記者就相關話題采訪了童小華教授。

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

童小華：1957 年10 月4 日，全球第一顆人造地球衛星成功發射，標志著人類進入航天時代，包括地球觀測和深空探測。深空探測是指脫離地球引力場，進入太陽系空間和宇宙空間的探測。經過數十年探索，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 世紀末至今，世界上主要的航天大國出于航天科技發展和國家戰略考慮，紛紛提出月球、火星、小行星和其他類地行星的探測計劃并積極實施，掀起了新一輪深空探測熱潮。

高精度測繪遙感技術是深空探測不可或缺的核心技術，對地外天體資源勘查、探測選址、安全著陸、路徑規劃、探測巡視、科研站和基地建設等起著關鍵作用。在深空探測任務中，通過軌道器可以對行星、衛星、小行星等目標進行遙感觀測，獲取大量遙感圖像，進一步對天體地形地貌進行精細測繪，對光照、石塊、撞擊坑、地貌特征、礦物組成等進行建模和識別，為探測器巡視導航和目標選擇提供重要參考。

例如，在月球探測任務中，利用遙感數據研制的高精度DEM（數字高程模型）、石塊豐度、撞擊坑豐度等，是工程安全的關鍵數據產品，可以幫助探測器選擇最佳著陸點，并為探測器的巡視路徑規劃提供參考。

自主導航定位技術能幫助探測器在沒有地面控制的情況下，自主進行導航和定位，主要包括視覺導航、星敏感器、慣性導航系統等。例如，在火星探測任務中，火星車需在火星表面進行探測和移動，由于火星與地球的通信延遲較大，地面控制中心無法實時控制探測器的移動。因此，火星車需利用自主導航定位技術，確定自身位置和運動方向，進而實現自主移動和科學探測。

我國目前已成功實施探月工程一、二、三期，實現了“嫦娥”月球探測“繞、落、回”三步走目標，完成了首次火星探測任務“天問一號”等重大深空探測任務，制定了針對近地小行星采樣返回及主帶彗星探測任務（預計2025 年前后發射，整個計劃超過10 年）。

一方面由于深空環境的復雜性、挑戰性及先驗信息的未知性，月球與深空探測一般遵循由遠及近、先無人后有人的發展路線。首先借助較遠距離的繞軌衛星，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；最后再進行有人探測活動。因此，遙感測繪技術在深空探測中起著極為關鍵的作用，是月球與深空探測任務的主要手段和重要支撐。例如，“天問一號”探測器在到達火星后，先在火星環繞軌道運行，對預選著陸區開展詳查，為著陸火星提供足夠的地形、氣候、探測科學性等信息支撐。

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

因此，月球與深空探測已成為測繪遙感科學與技術的新戰場。在多類型月球與深空探測任務驅動下，測繪遙感技術得到了全新發展，逐步形成了以環繞遙感測圖、著陸導航遙感避障、巡視導航視覺測圖為主的深空遙感測繪新技術體系。

記者：我們注意到，2023 年“中國航天日”主場活動啟動儀式上，國家航天局和中國科學院聯合發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據圖型產品？目前還有著怎樣的難點和挑戰？

童小華：地外天體遙感測圖是一個涉及科學探測與工程安全的重要領域，是深空天體探測的基礎性工作。國內外深空探測任務幾乎都搭載了相機等傳感器，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尺度的數字高程模型等，從而支持地外天體探測任務科學目標制定、地質構造及其演化科學分析、安全著陸區選取等工程任務和科學研究。

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

● 童小華教授和學生們在著陸實驗場

軌道器、著陸器和巡視器能產生多類型遙感數據。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據，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、地質和物理等遙感數據產品。

月球和火星的地形復雜多變，月球光照變化強烈、火星具有沙塵暴等氣象，需要高精度的測繪數據支持，目前測繪精準度和精確度仍需再提高。月球和火星環境惡劣，存在較強的輻射、溫度變化等問題，對探測器遙感數據的定標也提出了很高要求。

此外，地外天體遙感探測需要傳輸大量數據，對數據傳輸和處理的速度和效率提出了高要求，同時也需對數據進行高效處理和分析。特別是由于月球和火星距離遙遠，對衛星軌道控制能力、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成分等高精度地圖，仍是將來一段時間的挑戰性任務。

在關鍵技術上，月球和火星等地外天體遙感測圖首先需要構建全球控制網，為遙感測圖提供控制基準。總體來看，月球和火星現有全球控制網精度較低，已不能滿足后續新型軌道器高精度遙感數據制圖需求，亟須綜合利用最新多任務軌道器高分辨率高精度遙感觀測數據改進和提高全球控制網精度。

日前，同濟大學、中國科學院空天信息創新研究院、香港理工大學等多家單位利用LROC 窄角相機影像對“嫦娥四號”“嫦娥五號”著陸區進行了高分辨率制圖。針對我國后續將開展的“嫦娥七號”“嫦娥八號”等月球南極探測任務，同濟大學基于LROC 窄角相機影像、LOLA 激光測高等多源遙感數據，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：請您通過具體應用場景，介紹一下地外天體環繞遙感測圖、著陸導航遙感避障、巡視環境感知與自主導航定位等測繪遙感關鍵技術的相關應用。目前，童教授您帶領的同濟大學航天測繪遙感與深空探測研究團隊在這些關鍵技術研究上取得了哪些新進展和新突破？

童小華：軌道器遙感測圖可以提供高分辨率的地形數據、地貌圖像和地質構造信息，為地外天體的科學研究提供基礎數據。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和激光遙感數據，采用攝影測量和光影法等可以研制高質量月球地形數據。著陸導航遙感避障技術可提供高精度的導航信息和避障策略，保證探測器安全著陸和正常運行。

又如，“嫦娥三號”等任務采用三維激光遙感方法，實現百米懸停精避障，保障了其在月球著陸安全。巡視環境感知與自主導航定位，可以實現探測器的智能化運行，提高探測效率和準確性。

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、深度相機等實現精準的視覺導航。

同濟大學航天測繪遙感與深空探測研究團隊建立了地形與光照產品研制技術和系統，研制了月球南極1.5 米分辨率的地形與光照產品，應用于月球探測選址、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處理方法，實現了“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。構建了廣域和局域深空測繪技術、高速視頻測量技術。

試驗場位于同濟大學，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”激光三維成像系統檢校與障礙探測評估任務，巡視器、飛躍器等導航方案驗證，航天器地面測試高速視頻測量等。

記者：您認為，下一步深空探測測繪遙感應如何適應新需求，迎接新挑戰？在該技術領域已經走在前列的同濟大學，目前正著手開展哪些研究工作，以助力高質量發展？

童小華：深空探測測繪遙感技術作為一項前沿技術，仍需要適應新需求和迎接新挑戰，不斷提高測繪遙感技術的精準度和分辨率，同時要開發新型的遙感探測設備和傳感器，以應對更加復雜的地外天體環境。

需要進一步完善自主導航與避障技術，提高探測器的自主運行能力和安全性，同時開發新型的導航與避障算法，以應對更加復雜的地形環境和任務需求。需要開發新型數據處理與分析技術，以實現對大規模、多源、多元的地外天體數據的高效處理和分析，同時提高數據的可視化和智能化處理能力。需要進一步優化探測任務規劃和管理，以提高任務的執行效率和成果質量，同時開發新型的任務規劃和管理工具，以提高任務的智能化和自動化水平。

目前，同濟大學航天測繪遙感與深空探測研究團隊正在開展多項研究。如，高精度和高分辨率DEM研制技術、月球大范圍高分辨率光照產品研制技術、月球與火星特征形貌遙感識別技術、月球與火星精細著陸選址技術、基于天地聯合的自主導航定位技術、大規模月壤制備技術、月球科研站3D 打印技術等，同時還與多家科研機構開展了廣泛合作，以推動我國地外天體測繪遙感技術的發展和創新應用。

記者：同濟大學發布的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”，我們將看見一個怎樣的“觸手可及”的未來？面向國家重大戰略需求，同濟大學測繪遙感人將如何發揮自身優勢，在中國式現代化新征程上貢獻自己的力量呢？

童小華：“鏡界”是一個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的期望和追求，也代表了這項技術未來的巨大潛力和發展空間。在未來的“鏡界”中，深空探測測繪遙感技術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域，讓我們更加深入了解宇宙的本質和演化。隨著技術的進步和發展，我們也將更加精準、高效和全面地探測、測繪、分析和理解地外天體信息，實現更多的科學發現和應用。

作為一項前沿技術，深空探測測繪遙感技術在國家月球與深空探測中具有廣泛的應用前景。同濟大學測繪遙感人將在科學研究、技術創新、人才培養等方面發揮重要作用，為我國深空探測測繪遙感技術的發展和應用做出新貢獻。

總之，深空探測是世界各航天強國進行空間探索和科技創新的戰略制高點。近年來，我國在深空探測領域取得了舉世矚目的成就，其中測繪遙感為深空探測任務的成功提供了關鍵的空間信息技術支撐，深空探測已成為測繪遙感科學與技術的前沿和新戰場。