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大家旺电子升级:港理大成立“深空探测研究中心”,助力国家航天科技发展

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  “我们衷心祝愿‘天问一号’任务取得圆满成功,让世界对这个‘红色星球’有更多了解。”香港理工大学(简称“港理大”)校长滕锦光教授透露,最近,港理大已成立“深空探测研究中心”,聚集地质学、土木工程、物理学等不同领域的专家,在航天科技的不同方向展开深入研究。
日前,我国首个火星探测任务“天问一号”探测器成功着陆火星,中国迈出了星际探测征程重要一步。5月21日,作为国家首个火星探测任务重要参与者的港理大,举行新闻发布会介绍火星探测任务情况。

  港理大新闻发布会。本文图片均为香港理工大学提供

  澎湃新闻(www.thepaper.cn)从港理大方面获悉,港理大有两支跨学科研究团队参与当中。其一为土地测量及地理资讯学系吴波教授的团队,其研发创新的地形测量及地貌分析方法,协助选取火星着陆点;其二为工业及系统工程学系副主任容启亮教授的团队,其研发出精密的太空仪器“落火状态监视相机”(“火星相机”),拍摄火星的周围环境及火星车的状况。

  左为吴波教授,右为容启亮教授。

  火星着陆区测量和评估:一个半月内分析67万个陨石坑
港理大介绍,登陆火星是一项极具挑战性的任务。火星表面的地形复杂,大气层稀薄,而火星表面随时可能出现的沙尘暴,加上火星与地球通讯有约5至20分钟的延迟,凡此种种增加了探测器登陆火星的难度。因此,选择一个安全而具有科学价值的着陆点至关重要。
2017至2020年期间,吴波应中国空间技术研究院的邀请,率领团队进行火星全球的分析和评估,筛选出三个候选着陆区,分别位于亚马逊平原、克里斯平原和乌托邦平原。这些候选着陆区均处于火星纬度5°-30°N范围,太阳日照充足,有助太阳能电池板供电,温度适中;且位处低海拔,可以延长探测器降落时减速的时间;地形平坦,有利探测器安全着陆。
港理大团队进一步对候选着陆区进行了详细的地形及地貌特征分析,包括其海拔、坡度、岩石密度、撞击坑密度,以及该区域的地质历史。综合研究结果,火星北半球最大的撞击盆地乌托邦平原南部区域获选为“天问一号”的目标着陆区。乌托邦平原的某些特征,如其表面上广泛存在的沉积物,显示这个区域地下可能存在水冰,因此其科学意义重大,有助找出火星是否曾有生命的线索,了解火星的演化历史。
澎湃新闻从港理大方面了解到,“天问一号”自2021年2月10日进入环火轨道后,已收集并传回大量覆盖目标着陆区的亚米级高分辨率图像回地球。这次任务的目标着陆区面积达70公里x180公里,即比整个香港的面积大11倍。吴波及其团队利用自行研发的“三维集成测量模型”,将“天问一号”传回的高分辨率图像,制成高精确度、高分辨率的三维数码地形模型,以详细分析地形特征,识别可能影响着陆安全的大型斜坡。
为了帮助“天问一号”在火星上安全着陆和巡视,吴波及其团队亦研发出“基于人工智能的撞击坑、石块提取方法”,在短时间内从高分辨率的图像上自动提取撞击坑和石块等地貌特征,以作更精确的分析。
“我们利用这项人工智能技术,在一个半月内分析了分布在目标着陆区内的67万个陨石坑、逾200多万块岩石,和数百个火山锥,效率超卓,准确率达到了85%。”吴波说道。
最终,团队根据地形和地貌的详细测量结果,成功搜索出数个可能的着陆点,供“天问一号”任务的管理团队作最终抉择。
“‘天问一号’火星探测任务是一个庞大的工程,是成千上万人的努力成果,我们只是当中的一颗‘螺丝钉’。”吴波说,过去几个月,团队每一位成员为这个项目全力以赴,日以继夜工作,精益求精,没有因为时间紧迫而对准确度和工作中的细节让步,最终大家在限时内完成任务。
“火星相机”:从地球前往火星长途跋涉,保持完好
至于被喻为火星探测器“眼睛”的“火星相机”,港理大介绍,其搭载于着陆器外层平台上,以监视着陆情况、火星的周遭环境,以及降落火星后巡视器“祝融”的操作状态,包括太阳翼的打开及天线的状况。这些资讯对掌握巡视器能否在火星表面成功巡视至关重要。
澎湃新闻了解到,作为“火星相机”研发背后主导者的容启亮,具有丰富的精密太空仪器研发经验,团队在不到三年内,成功研制并交付了火星相机,并通过多项相关的太空验证。

  “落火状态监视相机”(火星相机)。

  “火星相机”重量轻巧,约390克,然而外壳十分坚固,以抵受穿梭地球与火星超过九个月的旅程期间出现约150摄氏度的极端温差,及后须能在火星表面极低温的环境下运作,并要承受相等于地球地心吸力6200倍的冲击。此外,“火星相机”须具备广阔测量视野(水平视野范围达到120度,对角线视野范围达到170度),同时显著减低图像变形的程度。
容启亮解释,为了拍摄超广阔的图像及影片作科学研究之用,火星相机须轻巧并具备广角拍摄及可控的影像变形,同时要在有限的重量内能抵受极大的冲击力。此外,相机须在长时间的太空旅程中克服极端温差、辐射、机械振动等挑战,最后仍保持十分高的稳定性。
当得知“天问一号”成功着陆火星时,容启亮如释重负,因为“火星相机”能在地球前往火星的长途旅程中保持完好实属不易。“期待‘火星相机’拍摄到火星的壮丽景色以及火星车打开及运行的情况。”他说道。

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