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祝融号“驾驶员”张辉(05210): 我有一本火星车“驾照”

发布时间:2021-06-01

5月22日,国家航天局发布消息称,根据遥测数据判断,祝融号火星车已安全驶离着陆平台,到达火星表面,开始巡视探测。随后,祝融号还向地球回传了驶下平台的视频。

其实,从2018年开始,我国首次火星探测任务遥操作总体主任设计师张辉和团队就一直在反复地进行“驾驶”火星车的地面模拟训练。

是的,张辉,就是那个火星车的“驾驶员”。

张辉(05210)是安徽太和县人,2005年考入中国科学技术大学。2014年,从中国科学技术大学导航制导与控制专业研究生毕业后,张辉进入北京航天飞行控制中心,开始从事航天器控制工作。

曾有一段时间,他和团队每天都从早上8点忙到晚上12点多,就是为了利用验证器(模拟火星车)完成地面联试。为了逼近火星的任务状态,他们还设计了各种复杂和应急的工况。

如今,祝融号也将在张辉和同伴们的“驾驶”下,为大家带来更多惊喜。

祝融号其实是辆“遥控车”,要开动它可不容易。


一、动一下要三个火星日

祝融号火星车,个头比月球车略大,张辉和团队的工作,就是在地球上遥控“驾驶”这台车。

“这个‘驾驶’不同于在地面开车,不止是眼睛看着方向盘的实时操作。”张辉说,“开车”的整个过程分成三大步:感知、移动、探测。首先是通过器载的双目相机,对前方区域拍图,获取图像后,基于视觉图像进行火星环境的地形重构,再通过智能规划算法规划出最优移动路径,转化成控制指令后,控制火星车移动到希望的目标点。到达之后,开启相应的器载科学设备进行科学探测,获取有价值的科学数据,“完成科学探测任务就是我们的控制目标。”

如果仍有些晦涩难懂,张辉又做了更简单的解释:人在地面行走,先通过眼睛观察地形和环境,然后规划去目的地的路线,再通过大脑控制肢体去完成移动,到达后,完成计划中的事情。

火星表面岩石覆盖是月球的两倍,在岩石覆盖度更高的表面进行区域的巡视移动探测,难度会比月球车更大。并且,由于火星有风场,它的石头常年属于风化状态,火星地形也具有视觉欺骗性,“所以通过人眼去看,似乎是一片平地,但可能走过去就发生了沉陷。”

在“驾驶”月球车时,感知、移动、探测一系列操作是连贯的。但对于火星车来讲,由于受测控条件、通信数据量、有限工时等约束,这样一个过程可能要分成好几个火星日来完成,“可能一天下来是拍图,下一天移动,再下一天探测。”

一个失误极有可能把火星车置于非常危险的环境,我们没有再推倒重来的机会,“因此,我们必须要做到的是零失误。”


二、为考“驾照”准备了三年

要真正成为一名火星车“驾驶员”,其过程是艰辛和漫长的。

火星的约束比月球更多,具体有能源约束、通信数据量、有限的工时,以及移动行为的约束等。对火星车进行控制,必须要满足它的约束情况,在它可允许范围内工作。超越了这些约束,控制行为肯定会有安全性的风险。只有这样规划出准确可行的行动,后面一整天的控制才是安全的。

祝融号在火星上的活动,必须依靠地球上的航天人具体控制。而控制模式的改变,给地面的遥操作控制的准确性、安全性带来了不少挑战——比如在这一天内,由于对火星车的测控跟踪弧段很少,意味着火星车主要工作期间地面是没法进行监视的。并且,地球有地球日,火星有火星日,火星上一天的时长比地球多了约40分钟。因此,科研人员也得“入乡随俗”,按照火星的时间作息。

又比如,火星车是在执行完一天任务后,把执行过程中的遥测数据,一次性传回地球的。科研人员再进行数据分析和评估,来确认这台车在过去24小时内的执行情况。这对于任务的时效性和高效性,以及大量数据的处理来讲都有一定难度。

“所以必须要耳听六路,眼观八方,每一个人都要具备一个最强大脑。”张辉坦言,这本“驾照”不好考,需要建立在很多专业技术、专业能力之上,同时还要对火星车有非常专业深入的理解和认识。

三年多来,张辉带着团队在几乎没有任何经验可借鉴的情况下,从零开始,完成总体方案设计,构建完备的遥操作软件系统和专业团队,通过反复演练来验证方案,完善系统的设计、岗位的操作、团队的协作……

而对张辉来说,真正拿到火面“驾照”,应该是火星任务宣布圆满成功的那一刻。为了这一刻,他依然在在不断完善着各种设计和岗位操作。


三、从帅小伙到沧桑“大叔”

谈及自己的航天之路,老家安徽的张辉满是感慨。

2014年,从中国科学技术大学导航制导与控制专业研究生毕业后,张辉进入北京航天飞行控制中心从事航天器控制工作。七年航天生涯,让他从年轻的帅小伙变成了外表沧桑的大叔。

神舟十一号任务期间,张辉负责控制岗位,需要他和同事24小时轮流值守,这个岗位发出的每一条指令都直接关系到任务成败。在高强度的心理和生理压力下,张辉会不自觉地反复干呕,搭班的同事,一个20多岁的小伙甚至备上了速效救心丸。

嫦娥四号任务期间,张辉作为遥操作团队新人,和大家一起连续奋战多天。他们用“脉冲式睡觉”来形容那段日子:早上8点进行当天联调,结束后总结、准备第二天的联调,其间还需要不断完善程序预案,直到半夜收工……

天舟一号的交会对接、推进剂补加任务,嫦娥五号任务……随着一次次任务的积累,张辉眼神中多了一份坚毅和自信。

如今,张辉的角色有了新变化,成为了火星任务遥操作团队的牵头人,肩上的胆子重了,压力也更大了。不过这些年走过来,他明白,任何任务不是靠一个人去完成的,任何压力也不是靠一个人能缓解的,他会和团队共同迎接、化解、解决问题。

工作带来的影响也体现在张辉的生活中。火箭、飞船、航天器……他女儿的不少玩具都和航天有关。嫦娥五号任务期间,女儿在电视上看到身穿蓝大褂的张辉,高兴地和周围小朋友说:“我的爸爸去月亮上挖土了,把月亮上的土带回来了!”

虽然妻子偶尔也会抱怨,“航天这么辛苦,这么小就在孩子心里边给她埋下种子。”但在张辉看来,航天不仅能给孩子传达出一种正能量,还能让孩子慢慢明白关于航天的使命和责任。

(图片1:由前避障相机拍摄)

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(图片2:由后避障相机拍摄)