金晟毅 李海飛 彭松 溫博 賈陽 申振榮 田鶴 張?zhí)煲?/p>

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)

國外從20世紀(jì)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(tǒng)，20世紀(jì)70年代蘇聯(lián)的月球車-1(Lunokhod-1)和月球車-2(Lunokhod-2)巡視器地面系統(tǒng)僅支持地面人員根據(jù)小畫幅圖像進(jìn)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(shí)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(tǒng)可支持科學(xué)家和工程人員開展評估、分析、規(guī)劃、仿真和決策等處理，使巡視器能夠完成較復(fù)雜的科學(xué)探測任務(wù)[3]。歐洲航天局預(yù)計(jì)2020發(fā)射的火星生物學(xué)(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(zhí)行巡視器的遙操作任務(wù)，使其在火星地形仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)巡視器的操作控制[4-5]，目前ROCC還處于建設(shè)階段。我國于2018年12月8日發(fā)射的嫦娥四號探測器實(shí)現(xiàn)了人類首次的月球背面巡視探測，其地面遙操作控制系統(tǒng)需要考慮環(huán)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(jié)構(gòu)化復(fù)雜的月背任務(wù)執(zhí)行環(huán)境中，及時(shí)安全準(zhǔn)確的制定巡視探測目標(biāo)、運(yùn)行路線和科學(xué)探測策略等，并結(jié)合巡視器自有的自主導(dǎo)航能力，安全高效地控制巡視器完成科學(xué)探測任務(wù)。

本文以嫦娥四號巡視器月面巡視任務(wù)為背景，針對嫦娥四號巡視器遙操作地面支持系統(tǒng)自身特點(diǎn)和工作方式進(jìn)行了研究、設(shè)計(jì)和系統(tǒng)構(gòu)建。該系統(tǒng)成功支持并完成了嫦娥四號巡視器設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的遙操作支持任務(wù)。

1 系統(tǒng)功能和總體設(shè)計(jì)

為了在非結(jié)構(gòu)化復(fù)雜環(huán)境中確保月面巡視探測任務(wù)的可靠安全執(zhí)行，巡視器操作控制系統(tǒng)采用“巡視器-地面系統(tǒng)”功能一體化設(shè)計(jì)。月面巡視器和地面支持系統(tǒng)間通過前、返向通信鏈路相互進(jìn)行信息傳遞。巡視器具有一定的自主能力，能夠完成自主導(dǎo)航行走等動(dòng)作。如圖1所示，巡視器、中繼衛(wèi)星、地面測控網(wǎng)以及地面支持系統(tǒng)共同組成一體化系統(tǒng)，共同協(xié)同配合完成月面巡視探測任務(wù)。下文重點(diǎn)針對圖1中地面支持系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。

通過借鑒美國“火星探測巡視器”地面控制系統(tǒng)和歐洲航天局“巡視器操作控制中心”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，嫦娥四號巡視器地面支持系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，一方面能夠?qū)崿F(xiàn)對巡視器運(yùn)行狀態(tài)的多維可視化監(jiān)視，另一方面兼顧對巡視器任務(wù)環(huán)境的數(shù)字和物理模型構(gòu)建，在構(gòu)建的模型上開展對月面巡視器規(guī)劃控制策略的數(shù)字或物理仿真驗(yàn)證，提高了巡視器在軌運(yùn)行的控制安全性和可靠性。

地面支持系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)構(gòu)成示意如圖2所示，地面支持系統(tǒng)包括接口與信息管理模塊、數(shù)字環(huán)境構(gòu)建模塊、規(guī)劃策略數(shù)字仿真模塊、任務(wù)決策及策略規(guī)劃模塊、可視化呈現(xiàn)模塊以及物理仿真模塊。其中物理仿真模塊還需要包括驗(yàn)證器供電及控制模塊、月面環(huán)境構(gòu)建平臺、巡視器驗(yàn)證器、月面環(huán)境測量模組等。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

巡視器執(zhí)行月面任務(wù)期間，地面支持系統(tǒng)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(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)解析和處理后分發(fā)給數(shù)字環(huán)境構(gòu)建模塊生成數(shù)字環(huán)境模型(見圖2)。

任務(wù)決策及策略規(guī)劃模塊基于數(shù)字環(huán)境模型，選擇和確認(rèn)下一步的任務(wù)目標(biāo)，并對目標(biāo)所需要巡視器完成的動(dòng)作控制策略進(jìn)行規(guī)劃?？刂撇呗砸?guī)劃完成后將控制策略提交規(guī)劃策略數(shù)字仿真模塊進(jìn)行數(shù)字仿真，同時(shí)決策是否啟動(dòng)物理仿真模塊進(jìn)行物理仿真。

規(guī)劃策略數(shù)字仿真模塊和物理仿真模塊，根據(jù)需要按照數(shù)字環(huán)境模型構(gòu)建仿真環(huán)境，并開展控制策略的仿真驗(yàn)證，將仿真過程數(shù)據(jù)連同接口與信息管理模塊處理后的遙測和圖像，數(shù)字環(huán)境構(gòu)建模塊生成的數(shù)字環(huán)境模型，送至可視化呈現(xiàn)模塊進(jìn)行多維狀態(tài)呈現(xiàn)。任務(wù)決策及策略規(guī)劃模塊根據(jù)呈現(xiàn)的狀態(tài)，決策巡視器的任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)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(jìn)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(fù)責(zé)處理對內(nèi)和對外兩個(gè)層面數(shù)據(jù)，對內(nèi)負(fù)責(zé)處理、分發(fā)、存儲(chǔ)和管理地面支持系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)、信息和文件，對外則與地面測控中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和文件交換，接口與信息管理模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 接口與信息模塊設(shè)計(jì)示意圖

接口與信息管理模塊負(fù)責(zé)任務(wù)支持系統(tǒng)整體信息交換的構(gòu)架設(shè)計(jì)，主要設(shè)置有接口信息管理服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫/任務(wù)管理服務(wù)器和音/視頻服務(wù)器，以及輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和計(jì)算機(jī)。設(shè)計(jì)有不同的Vlan實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模塊化功能劃分和組裝，同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享及管理。

接口信息管理服務(wù)軟件運(yùn)行在主備兩個(gè)P910工作站上，軟件使用Qt跨平臺編譯器實(shí)現(xiàn)C++語言編制，代碼運(yùn)行于Redhat Linuix 5.5平臺。數(shù)據(jù)庫和任務(wù)管理服務(wù)器使用基于MongoDB的分布式文件存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)對任務(wù)和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理。

2.2 數(shù)字環(huán)境構(gòu)建模塊

巡視器上的雙目相機(jī)將會(huì)對所處的月面環(huán)境進(jìn)行環(huán)拍。數(shù)據(jù)下傳至地面支持系統(tǒng)進(jìn)行圖像解碼、融合拼接、三維地形重構(gòu)和數(shù)字微分糾正和填充，形成正攝影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)和數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)。圖4是巡視器完成環(huán)拍后扇形拼接圖，圖5是經(jīng)過三維地形重構(gòu)和處理生成的DEM圖和DOM圖。

將生成的地形產(chǎn)品與巡視器或著陸器三維模型、歷史地形產(chǎn)品進(jìn)行特征點(diǎn)和位置拼接融合，完成數(shù)字環(huán)境構(gòu)建。圖6是完成的數(shù)字環(huán)境構(gòu)建示意圖。

圖4 全景拼接圖

圖5 DEM和DOM圖

圖6 數(shù)字環(huán)境模型的可視化示意圖

2.3 任務(wù)決策和策略規(guī)劃

任務(wù)決策和策略規(guī)劃是在基于構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境模型上，對下一步任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行確定，并對確認(rèn)后的目標(biāo)所需要巡視器完成的動(dòng)作控制策略進(jìn)行規(guī)劃。常規(guī)情況下，該部分需要完成行走規(guī)劃、定向天線對中繼衛(wèi)星指向規(guī)劃及太陽翼對日定向規(guī)劃計(jì)算等功能。

1)行走規(guī)劃

由于在月面表面上行走，規(guī)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(dāng)前位置為坐標(biāo)系原點(diǎn)O,X、Y方向的偏移量分別為x、y的平面空間上的點(diǎn)，δx和δy分別為X、Y方向位置約束。

將當(dāng)前地形產(chǎn)品DEM圖，分割為(2M+1)×(2N+1)個(gè)網(wǎng)格單元(其中M和N為正整數(shù))形成二維地圖矩陣MA，對空間的網(wǎng)格點(diǎn)C(i,j)的定義為

{C(i,j)∈MA|x=i,y=j,(|i|≤M,|j|≤N)}

(2)

定義起點(diǎn)所在網(wǎng)格單元標(biāo)識為S(0,0)∈MA，將給定目標(biāo)點(diǎn)所在的網(wǎng)格標(biāo)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(yīng)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(gè)單元的地理信息進(jìn)行評價(jià)，并轉(zhuǎn)換為風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)矩陣MC。

根據(jù)本文所述數(shù)字環(huán)境模型的特點(diǎn)，風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)矩陣的算法是以S(0,0)為起點(diǎn)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(jì)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(gè)網(wǎng)格p點(diǎn)向量表示為{i,j,Hp,ΔHp,Δ2Hp|i|≤M,|j|≤N}，反應(yīng)了相應(yīng)的位置和地形紋理特征。其中ΔHp通過式(4)計(jì)算得出，Δ2Hp通過式(5)計(jì)算得出。

圖7 梯度向量計(jì)算示意

圖8 二階梯度向量計(jì)算示意

(4)

(5)

每個(gè)p網(wǎng)格點(diǎn)的位置和紋理屬性均是以起始點(diǎn)S為基準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，這樣計(jì)算的好處是能夠較為方便的理解相對于當(dāng)前巡視器的位姿，展現(xiàn)出地形上的相對坡起和下凹。對二維地圖矩陣MA上的每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)p進(jìn)行分類，識別出巡視器不可放置或通過區(qū)域，并以2個(gè)單元的約束進(jìn)行膨脹外擴(kuò)，確保行走路徑規(guī)劃的安全，同時(shí)將紋理特征不明顯的點(diǎn)賦予較小的代價(jià)值，形成風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)矩陣MC。圖9是渲染后的風(fēng)險(xiǎn)代價(jià)矩陣MC，綠色區(qū)域是紋理特征適合于巡視器通過的網(wǎng)格點(diǎn)，橙色是具有較大代價(jià)值的網(wǎng)格點(diǎn)，紅色區(qū)域?yàn)椴豢煞胖没蛲ㄟ^區(qū)域。基于該MC采用A*算法[7]進(jìn)行最優(yōu)行走路徑規(guī)劃，形成的規(guī)劃路徑結(jié)果如圖10所示。

圖9 渲染后的MC示意

圖10 S點(diǎn)至G點(diǎn)路徑規(guī)劃結(jié)果

2)定向天線對中繼衛(wèi)星指向規(guī)劃

根據(jù)中繼衛(wèi)星軌道根數(shù)，以及巡視器在月面的位置(經(jīng)度、緯度)、姿態(tài)(偏航、俯仰、滾動(dòng))和指向時(shí)刻，計(jì)算定向天線的兩個(gè)轉(zhuǎn)角，然后控制定向天線在指向時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到位(計(jì)算過程要提前，以保證定向天線恰好在指向時(shí)刻運(yùn)動(dòng)到位)，實(shí)現(xiàn)定向天線對準(zhǔn)中繼衛(wèi)星。

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

圖11 定向天線中繼指向規(guī)劃算法流程

針對當(dāng)前巡視器與中繼衛(wèi)星的位姿狀態(tài)下無解的情況，可通過巡視器原地轉(zhuǎn)彎改變巡視器姿態(tài)操作，使定向天線能夠指向中繼衛(wèi)星。

（4）穩(wěn)健性檢驗(yàn)。通過上文的實(shí)證分析，發(fā)現(xiàn)根據(jù)實(shí)證檢驗(yàn)驗(yàn)證得到上文的三個(gè)假設(shè)都是合理的，為了提高本文研究結(jié)果的可信度，本文又利用應(yīng)計(jì)—現(xiàn)金流關(guān)系模型對BASU模型進(jìn)行進(jìn)一步檢驗(yàn)。利用應(yīng)計(jì)—現(xiàn)金流模型，需要選取上文所研究公司的相關(guān)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上加上上文所研究的三個(gè)變量（內(nèi)部控制評價(jià)主體、內(nèi)部控制缺陷、內(nèi)部控制評價(jià)報(bào)告），不改變7個(gè)自變量的數(shù)據(jù)處理方法，進(jìn)行多元線性回歸分析，進(jìn)而得到三個(gè)變量對會(huì)計(jì)穩(wěn)健性影響結(jié)論，對比發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)模型所得到的研究結(jié)論具有一致性。

3)太陽翼對日指向規(guī)劃

同定向天線指向中繼衛(wèi)星算法類似，在當(dāng)前巡視器位姿狀態(tài)下，通過時(shí)間檢索當(dāng)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(jì)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(jìn)一步計(jì)算太陽光在太陽翼面上的正射投影面積，可估計(jì)太陽翼的發(fā)電功率等信息。

2.4 策略規(guī)劃的數(shù)字化仿真

策略規(guī)劃的數(shù)字化仿真是將任務(wù)決策和策略規(guī)劃所生成的規(guī)劃成果，結(jié)合構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境，模擬驅(qū)動(dòng)巡視器執(zhí)行規(guī)劃成果中要求的動(dòng)作，并實(shí)時(shí)輸出巡視器狀態(tài)信息和風(fēng)險(xiǎn)警告。

地面支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)所支持的巡視器原地轉(zhuǎn)彎規(guī)劃、曲線行走規(guī)劃仿真，如圖12和圖13所示，能夠?qū)ρ惨暺餍羞M(jìn)過程的路徑、姿態(tài)和車轍進(jìn)行3D呈現(xiàn)，輔助操作人員決策行進(jìn)策略是否合理可行。

圖13 曲線行走仿真規(guī)劃

此外系統(tǒng)還能夠?qū)Χㄏ蛱炀€指向中繼衛(wèi)星規(guī)劃、太陽翼指向太陽規(guī)劃進(jìn)行仿真，如圖14和圖15所示，仿真結(jié)果能夠幫助操作人員決策規(guī)劃的正確與否。相機(jī)視場仿真，能夠模擬巡視器上的相機(jī)傳感器視場，進(jìn)行相機(jī)視場呈現(xiàn)。仿真結(jié)果如圖16所示。

圖14 定向天線指向中繼衛(wèi)星規(guī)劃仿真

圖15 太陽翼指向太陽規(guī)劃仿真

圖16 相機(jī)視場仿真

策略規(guī)劃的數(shù)字化仿真，能夠快速的計(jì)算出規(guī)劃策略是否正確可行的評價(jià)，在常規(guī)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(huán)境構(gòu)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(dòng)天車系統(tǒng)以及能夠構(gòu)建月面地形地貌的地形地貌構(gòu)建平臺。當(dāng)決策需要開展物理仿真驗(yàn)證后，按照月面數(shù)字構(gòu)建的DEM圖在地形地貌構(gòu)建平臺上構(gòu)建模擬地形，之后月面環(huán)境測量模組中的激光掃描儀對模擬地形進(jìn)行掃描生成新的DEM，與月面地形DEM進(jìn)行誤差比對，并進(jìn)行地形構(gòu)建完善。地形構(gòu)建完成后將巡視器驗(yàn)證器吊放置要求的地形位置之上，啟動(dòng)恒拉力隨動(dòng)天車系統(tǒng)模擬月面重力環(huán)境。調(diào)整平行光燈陣的照射角度和亮度，啟動(dòng)燈陣模擬當(dāng)前月面光照狀態(tài)。按照規(guī)劃的策略控制巡視器驗(yàn)證器完成規(guī)定的動(dòng)作，形成驗(yàn)證報(bào)告，交由物理仿真驗(yàn)證決策確認(rèn)規(guī)劃策略是否可應(yīng)用于月面巡視器的操作控制。

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

圖19 模擬地形構(gòu)建

圖20 構(gòu)建模擬地形的DEM圖

圖21 巡視器驗(yàn)證器進(jìn)行物理仿真驗(yàn)證

2.6 多維可視化呈現(xiàn)

多維可視化呈現(xiàn)模塊將基于構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境，監(jiān)收巡視器/驗(yàn)證器下行的工程數(shù)據(jù)，根據(jù)工程數(shù)據(jù)內(nèi)容，驅(qū)動(dòng)巡視器/驗(yàn)證器模型中的關(guān)節(jié)、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和設(shè)備模塊，將巡視器/驗(yàn)證器狀態(tài)直觀的進(jìn)行三維呈現(xiàn)。同時(shí)結(jié)合時(shí)間、地形地貌、巡視器機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)，將光照產(chǎn)生的反射和陰影，地形地貌導(dǎo)致的巡視器輪地交互狀態(tài)以及巡視器機(jī)構(gòu)運(yùn)行后產(chǎn)生的車轍等進(jìn)行呈現(xiàn)。輔助地面操作和決策人員準(zhǔn)確及時(shí)地了解巡視器/驗(yàn)證器工作狀態(tài)，執(zhí)行流程示意如圖22所示。該模塊在執(zhí)行任務(wù)前啟動(dòng)，循環(huán)并持續(xù)監(jiān)收加載最新構(gòu)建的數(shù)字環(huán)境模型及各類工程數(shù)據(jù)，進(jìn)行多維可視化呈現(xiàn)。

圖22 多維可視化流程

圖23是巡視器月面從LE00204點(diǎn)運(yùn)行至LE00205點(diǎn)的呈現(xiàn)情況，由圖23可見，巡視器運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)編號、當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)編號、當(dāng)前巡視器位姿等數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)進(jìn)行呈現(xiàn)，同時(shí)著陸器相對于巡視器的位姿關(guān)系，當(dāng)前時(shí)刻的光照陰影，以及巡視器運(yùn)行的車轍均能夠被有效地呈現(xiàn)。

圖23 多維呈現(xiàn)實(shí)例

3 在軌應(yīng)用

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

表1 A′點(diǎn)定位信息

在該位置下巡視器姿態(tài)為：滾動(dòng)角-1.165°，俯仰角1.348°，偏航角-10.723°。巡視器在A′點(diǎn)進(jìn)行了感知成像，進(jìn)行全景拼接后如圖24所示。

圖24 A′點(diǎn)全景成像

進(jìn)行數(shù)字環(huán)境構(gòu)建，明確B′點(diǎn)目標(biāo)位置相對著陸器坐標(biāo)為(1.288，-6.635)，巡視器目標(biāo)偏航要求為2°(北東地坐標(biāo)系)。開展了行走規(guī)劃，行走策略見表2。

表2 A′行走至B′點(diǎn)規(guī)劃

對行進(jìn)規(guī)劃進(jìn)行仿真如圖25所示，發(fā)現(xiàn)規(guī)劃路徑存在巡視器與著陸器距離過近容易產(chǎn)生碰撞風(fēng)險(xiǎn)。重新對規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行調(diào)整后，再次進(jìn)行數(shù)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(dá)目標(biāo)B′點(diǎn)。

圖25 行走仿真示意圖

圖26 實(shí)際行走路徑

4 結(jié)束語

本文針對嫦娥四號巡視器月面工作特點(diǎn)，對地面支持系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)，對各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹和說明，通過一個(gè)真實(shí)在軌應(yīng)用，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的地面支持系統(tǒng)能夠很好地支持巡視器月面巡視探測任務(wù)執(zhí)行。目前，地面支持系統(tǒng)已完成既定的在軌支持任務(wù)，后續(xù)還將繼續(xù)對巡視器的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。系統(tǒng)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(wù)中得到應(yīng)用和檢驗(yàn)，后續(xù)將持續(xù)對物理仿真模塊進(jìn)行維護(hù)和升級改造。