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像玩魔兽一样看太空 中国火星探测将三维可视
2009年12月16日    评论:    分享:

来源:《科学时报》

    2007年3月,我国与俄罗斯签约,按约定,中国第一个火星探测器“萤火一号”将搭乘俄罗斯运载火箭,踏上访问火星的漫漫旅程。这是我国继载人航天工程、探月工程之后,首次开展的地外行星空间环境探测活动。石家庄铁道学院教授赵正旭参与了这一举世瞩目的活动,与北京航天飞行控制中心合作研发深空探测可视化系统。这是北京航天飞行控制中心首次与高校合作,也是河北高校首次参与中国航天事业。

  “如果今年10月份火星探测计划不推迟,那么我们通过电视就可以看到一亿公里之外‘萤火一号’探测器探访火星的全过程,而提供这一真实虚拟空间的就是深空探测三维可视化平台。”日前,火星探测三维可视化平台技术负责人、石家庄铁道学院计算机与信息工程分院院长赵正旭教授向记者介绍。

  近年来,我国进行了“神五”、“神六”、“神七”等一系列载人航天工程及探月工程,但这都是对宇宙浅层空间的探测,而对深空进行探测中国还是首次。2007年3月,在中俄两国国家元首的见证下,我国与俄罗斯签署了关于联合探测火星及火卫一的合作协议。根据中俄合作协议,我国自主研发的“萤火一号”探测器将与俄罗斯“福布斯—格朗特”着陆探测器共同搭乘俄方运载火箭升空。按照原计划,火星探测器发射后,北京航天飞行控制中心三维可视化平台将实时接收各类测控数据,对“福布斯—格朗特”和“萤火一号”飞行器探测火星全过程进行三维展示,而这一可视化平台的技术指导则是石家庄铁道学院计算机与信息工程分院院长赵正旭教授。


  三维可视化平台  让深空“近”在眼前

  “在太阳系八大行星之中,除金星以外,火星是距离地球最近的行星。因此,火星就成为人类深空探测的第一站。”赵正旭介绍。

  人类使用空间探测器进行火星探测的历史几乎贯穿整个人类航天史。早在1960年10月10日,苏联向火星发射了第一枚探测器,紧接着就在4天以后,第二枚火星探测器升空,然而这两枚火星探测的先行者却连地球轨道都没能到达。40多年来,苏联、美国、日本、俄罗斯和欧洲共发起30多次火星探测计划,其中三分之二以失败告终。

  “火星探测三维可视化平台可以实时展示探测器运行情况,并通过三维可视画面展示飞行器飞行轨道、姿态,及地球、火星和其他行星相对位置关系,甚至是探测器分离、掩星试验等重要过程。”赵正旭介绍。也就是说,通过三维可视化系统平台,可以让遥不可及的宇宙深空“近”在眼前。人们不用到外层太空,就可以通过三维可视化系统平台,看到深空探测器探测火星精彩而激动人心的全过程,虽然是虚拟的三维画面,但这是绝对的“真实”。

  “火星探测三维可视化平台的另一个功能就是实时监控,以往卫星发射后接收到的是只有专家才能看得懂的数据,而火星探测三维可视化系统平台可以将这些专业的数据直接转化为三维的画面,操控人员一目了然,通过直观的画面就可以地监控火星探测器运行情况。”直观地说,三维可视化系统平台犹如游戏机上虚拟的屏幕,玩游戏的人通过屏幕上虚拟的图像操作汽车的方向,而火星探测操控人员则是通过三维可视化系统平台,调整几千公里以外甚至是更远的火星探测器运行轨迹,确保火星探测器按照预定轨道运行。

  能够与北京航天飞行控制中心合作开发国家火星探测三维可视化系统平台,对赵正旭来说绝不是偶然,而是十六载科研成果的积淀,十六年辛勤耕耘厚积薄发的结果。

  自主研发  TDS深空探测系统十六载

  “本次火星探测任务三维可视化系统平台是在TDS系统的基础上进行开发的。”赵正旭说,TDS系统,全名Total Discovery of Space,是虚拟现实软件系统,用于表现航天器飞行情况,并对其进行实时监控,实现多目标多任务下航天器及运载工具的运行状态及星空和空地运行环境的实时模拟。1992年,在英国留学的赵正旭开始了TDS深空探测系统研发工作,当时英国只有6所高校中的极少数人涉足虚拟现实领域。

  “虚拟现实是我的研究方向,开发TDS则完全是因为兴趣。”就是因为兴趣使然,原本在国内学习机械专业的赵正旭,出国后攻读计算机科学博士学位,此后就开始了虚拟现实技术研究与系统开发,自此TDS系统的研发就成为他生活与工作的一部分。

  “TDS系统所有的命令都是我自己编写的,每一个编码都是我亲自输入的。”16年中,赵正旭精心“搭建”这一平台,熟悉每一条命令,每一个语句,一刻都不曾丢弃过。就是在这日复一日的维护中,TDS深空探测系统越来越强大,功能也越来越完善。

  2008年12月,中国卫星发射测控系统部主任申雷来到石家庄铁道学院访问。早在1996年,在英国任职计算机学科教授和系主任的赵正旭就与当时任中国驻英大使武官的申雷认识,而他在航天方面的才能更是引起了申雷注意。申雷找到赵正旭,希望他能回国。2008年10月,赵正旭和夫人一起回到祖国,到河北定居,任教于石家庄铁道学院。而申雷这一次来校,铁道学院给其留下了深刻的印象,回到北京后,申雷倡导铁道学院参与火星探测计划。

  随即,2009年4月,北京航天飞行控制中心副总工程师、绕月探测工程测控系统副总设计师、中国科技大学虚拟现实实验室主任周建亮来到铁道学院。当他参观完TDS深空探测系统后赞口不绝,希望能用这个系统开发火星探测三维可视化系统平台。

  “我希望石家庄铁道学院能够与你们合作,共同开发国家火星探测三维可视化系统平台。”赵正旭的建议让对方非常高兴,随即双方就火星探测可视化平台建立了合作协议。

  无心插柳柳成荫,就连赵正旭自己也没有想到,自己大部分在业余时间研发的TDS系统有朝一日能够在中国航天首次深空探测中派上用场。但有一点,赵正旭非常清楚,就是所有的成功都是长年累月默默无闻中一点一滴积累而得。

  6个月紧张开发终成正果

  “协议虽然签订了,但当时心里还是没底。”赵正旭有些犹豫。按照火星探测原计划,离火星发射不到6个月,这么短的时间能否完成?很多国内一流高校都想参与这一项目,但北京航天飞行控制中心只看准了赵正旭。

  做事一向谦虚谨慎的赵正旭只要了10万元作为启动资金。项目启动经费非常低,鉴于此,北京航天飞行控制中心特别提供了一台价值200万元的航天飞行测控硬件软件计算机系统。

  就这样,在石家庄铁道学院航天飞行控制可视化实验室及赵正旭的指导下,我国首次火星探测三维可视化系统平台仅用了6个月的时间就完成了建立和调试。

  虽然中国“萤火一号”没有按原计划发射,但是在2004年,在英国Derby大学工作的赵正旭曾亲眼目睹了英国民间火星探测发射情况。该活动由当时Derby大学佩林卡(音译)教授发起,火星探测器命名为“号角二号”,沿用达尔文环游世界创造进化论时乘坐的“号角一号”之名,但遗憾的是,“号角二号”升空后不知所往。“当时非常激动与兴奋!”这是赵正旭第一次近距离观看火星探测器。

  “目前,火星探测三维可视化平台仅是北京航天指挥中心二代系统可视化平台中的一期工程,今后双方还要继续开展二期探月、三期落月的合作,最终建设成适应我国航天飞控中心各类航天任务可视化系统平台的统一架构。”这是赵正旭的终极研发目标。

(责任编辑:马丽)

标签:火星探测三维仿真
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