安徽青年给“天问一号”造眼睛 让航天器度过火星着陆黑色九分钟

• 2021-10-31 10:01:48 来源：DeepTech

图 | 朱飞虎的照片（来源：朱飞虎）

他叫朱飞虎，是给航天器造“眼睛”的人。

2021 年5 月 15 日，中国首款自主研发火星探测器“天问一号”，在火星成功完成软着陆，这是中国第一次真正意义上的深空之旅，这意味着中国的火星探测能力直追美国，并成为首个利用单个探测器一次性完成“环绕+着陆+巡视”等任务的国家。

其中，火星着陆多功能避障敏感器（下称“避障器”）承担着重要作用，而它正是那双“眼睛”。

朱飞虎表示，其担任“天问一号”火星着陆多功能避障敏感器的主任设计师，并率领团队于 2015 年着手研究避障器，2019 年 4 月将产品交付给整星，2020 年 7 月它跟随“天问一号”探测器于发射入轨，后于 2021 年 5 月成功着陆火星乌托邦平原。

图 | 着陆（来源：朱飞虎）

中国国家航天局对此评价称：“着陆点附近地势平坦，石块丰度和尺寸与预期一致，表明着陆点自主选择和悬停避障实施效果良好。”朱飞虎也因此获得2021达摩院青橙奖，也成为该奖项设立以来的首位航天科学家得主。

让“天问一号”度过火星着陆的“黑色9分钟”

这双“眼睛”让“天问一号”度过了火星着陆的“黑色 9 分钟”，以稳稳的姿势降落在乌托邦平原。作为国际航天领域中最困难、失败率最高的任务，火星软着陆的成功率不到 50%。

火星距地球远达 4 亿公里，无法进行实时通信，因此在“天问一号”着陆火星的 9 分钟里，工作人员无法进行地面干预，只能依靠探测器进行自主控制。由此可见火星着陆之难，历史上许多国家都曾参与，但只有中美两国完成了这一过程。

图 | 激光精避障，水平 6.2m，垂直 4m（来源：朱飞虎）

据朱飞虎介绍，NASA 一般采取如下两种着陆方式：其一是气囊着陆方式，利用打开的气囊进行缓冲，借此来保护着陆车。其二是天空起重机方式，NASA 的好奇号火星探测器和新一代火星车毅力号均用此进行着陆。相比之下，我们选择了软着陆，这也是和中国探月工程相似的着陆方式。

对比 NASA 的着陆方式，软着陆的不同主要有二：其一是大气伞降，借助大气空气动力学让速度降到较低水平。其二是抛掉探测器大底，露出视觉系统来做精确导航，这时再打开缓冲 7500 牛发动机，以进行动力减速，以便在伞降过程实现精确可控的减速。

在动力下降期间，探测器距离着陆地越来越近，当相距仅有 10 公里时，探测器要执行精确导航，这时需要一双“视力精准”的“眼睛”即多功能避障敏感器。

在用于“天问一号”探测器时，多功能避障敏感器主要有三大主要任务：首先，它要借助视觉系统光学成像模块去规避背罩，当探测器抛完大底，降落伞和背罩会携伴脱离探测器，它俩在脱离时的落点不能重复，否则会导致撞车现象。

图 | 背罩规避与光学避障（来源：朱飞虎）

其次，利用视觉系统形成的初步避障，可让着陆避开大型岩石、较大的陨石坑，从而保证祝融号火星车顺利行走。再次，祝融号火星车的着陆腿比较细，一旦落在岩石或陨石坑上有可能会翻车。

在距离着陆地 100 米时，凭借多功能避障敏感器的激光三维成像，探测器可执行悬停避障动作，从而规避尺度小于 0.2m 的小型岩石和陨石坑，借此进行精避障，以防止火星车落到岩石和陨石坑上。

图 | 整器悬停避障试验（来源：朱飞虎）

具体来说，光学成像模块和激光成像模块是多功能避障敏感器的两大组成部分。它们主要承担以下角色：第一，探测器背后的降落伞及金属结构，它的别名叫背罩。由于背罩很大，假如探测器着陆点离它太近，背罩可能会缠住火星车，因此要设法做以规避。

第二，大型岩石和陨石坑也是被规避的对象。当探测器距离着陆点在3000米至10000米时，它要对障碍进行粗略识别，并规避半径在百米级至公里级之间的大型障碍。而在火星着陆九分钟中，着陆腿会在最后三分钟伸出防热大底，这时多功能避障敏感器也要识别火星表面的障碍。

图 | “天问一号”着陆点自主选择系统（来源：朱飞虎）

当探测器距离着陆地仅有一百米时，激光成像模块可执行更高精度的障碍规避，被规避对象是尺寸小于 0.2 米的石头和陨石坑，借此让火星车落到更平坦的地方，以防止其后续行为受限。概括来说，多功能避障敏感器的看家本领是给火星车选择平坦的着陆区域。

月球车巡视和空间交会

视觉系统也可用于月球车巡视和空间交会上。当月球车在巡视时，视觉系统可帮它识别周围地形地貌，从而做出精确规划。月球车上还会搭载导航相机和避障相机，它和探测器的着陆相机有诸多相似之处，通过呈现立体三维图像，让行走中的月球车可以辨别并避开车轮边的障碍，比如石子和凹坑等。

图 | 交会对接（来源：朱飞虎）

在航天器交会对接上，还要进行相对位置测量和姿态测量，当两者接近时，不仅要完全对上相对位置，还要保证姿态配对，即只有面对面时才能成功对接。而对接精度的要求也很高，一般在毫米量级，角度要求则在零点几度量级。

朱飞虎表示，视觉系统曾成功应用于天舟三号，在使用时它全面继承了避障器系统的硬件，同时也对软件做了迭代，以保证交会对接任务的顺利完成。

在软件上，他设计的着陆点自主选择视觉导航算法，具备实时、鲁棒等优点，让“天问一号”的成功软着陆获得更多保障。

据悉，该算法采用双目视觉算法硬件化的方式，并用FPGA加以实现，具备太阳高度角变化，自适应调整阴影和方差特征等能力。此外，他还建立了噪声模型，让以数字化地形、进行全工况模拟成为现实。未来，在“天舟四号”以及后续神舟系列飞船上都会用到。

此外，朱飞虎团队参与研发的同类视觉产品——导航相机和避障相机，也已应用在祝融号火星车上。2021 年 5 月，祝融号火星车的拍摄影像公布，无论是彩色图像、还是黑白避障图像，均由导航相机和避障相机拍摄完成。嫦娥五号交会对接光学成像敏感器（下称“敏感器”），则是朱飞虎团队研发的另一款“眼睛”。2020 年底，中国首次月球采样返回 1731g 月壤。

图 | 嫦娥五号交会对接成像敏感器相关示意图（来源：朱飞虎）

当上升器与轨道器交会时，敏感器保障了 150m 的对接、以及平移靠拢段的进行，这一步也被称为“千里穿针最后一步”，精度最高、难度最大，作为唯一的“眼睛”，敏感器作用之大不言而喻。

另一方面，朱飞虎带领的空间激光类产品研制团队也已成长起来，该队伍也将在实施小天体探测任务、探月四期任务、空间站任务等重大航天任务承担基石作用。

不过他也表示，相比国外同类产品，国内避障器的主要不足分别来自视觉和激光两方面。无论是视觉，还是激光，性能的提升主要受限于探测器芯片，而只有好芯片才能带来高性能。和国产芯片厂商交流之后他发现，相比国外先进传感器的指标，国内传感器仍有一定差距。而在激光器上，虽说中国激光器的晶体材料已处于全球领先地位，但在激光器件的集成上，仍和国外有一定差距。

三步走：继续深耕光电导航

朱飞虎是安徽安庆人，生于 1986 年，本科毕业于哈工大，后在清华获得博士学位。9 岁时，他就开始阅读天文学书籍，再加上爸妈都是理工科背景出身的教师，打小就给他讲天文学故事，航天的“种子”早已播撒在心间。本科时，其就读于哈尔滨工业大学，博士毕业于清华大学，期间一直学习电子科学与技术专业。

如今，他就职于北京控制工程研究所空间智能控制技术国家级重点实验室，主要负责 GNC 分系统抓总单位，并承担了 80% 以上的任务。截至目前，朱飞虎已发表论文 10 余篇，申请专利 20 余项，授权 11 项，并被评为航天五院青年拔尖人才、北京市科技新星候选人、北京控制工程研究所科技创新一等奖。

2024 年，中国即将发射小天体，这将是中国首次小行星探测任务，未来他也将担任重要载荷与导航单机探测激光测绘导航系统负责人。

他表示，自己将继续践行航天精神，不断深耕光电导航领域，具体分为三方面：其一是深入深空探测工程，从科学层面扩展人类认知；其二是参与北斗导航工程和卫星互联网工程，从社会层面服务于老百姓的生活；其三是将最先进的光电导航技术应用于航天装备上，提升航天装备的智能化控制水平。

与此同时，中国航天并不是一个封闭的系统，也在日益走向开放。在小行星探测上，其团队正和德国马普所合作。小行星探测任务属于科研探索项目，可能涉及小行星演化、生命起源等科学问题，相对来说比较开放。

图 | 小行星探测（来源：朱飞虎）

因此在小行星探测任务中，朱飞虎团队这边也可开放载荷给国外同行，在数据处理上也可跟对方进行合作。在更加大众的业界应用上，朱飞虎团队依靠轩宇空间科技公司平台，将视觉导航系统扩展应用于民用领域，有望在自动驾驶领域发挥重要作用。

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