半島全媒體記者 王麗平

11月4日，神舟十八號(hào)載人飛船成功返回地球，在這令人興奮的消息背后，離不開眾多科研人員搭建的保障系統(tǒng)。其中，青島理工大學(xué)山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用三維可視化技術(shù)，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)飛船運(yùn)行軌道、位置、姿態(tài)以及載荷等信息，“就像為地面指揮人員安上了一雙觀測飛船的眼睛。”

11月4日，記者來到青島理工大學(xué)，聽實(shí)驗(yàn)室科研人員講述他們深度參與我國航天任務(wù)的故事。

每秒處理8G數(shù)據(jù)

在青島理工大學(xué)山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，有一面巨大的弧形屏幕，通過屏幕可以展示飛船在太空中沿軌道飛行的狀態(tài)。

“我們看到的飛船在太空中飛行的畫面，就是通過我們的深空探測實(shí)時(shí)三維可視化系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。”山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士盧石磊說。

他介紹，航天器發(fā)射到太空后，飛船的空間飛行狀態(tài)是難以被直接觀測到的。“在4日凌晨返回的神舟十八號(hào)載人飛船，利用我們的系統(tǒng)可以將遠(yuǎn)在萬里之遙的航天器在軌狀態(tài)放到大屏幕上，呈現(xiàn)在地面決策人員面前，這樣能為地面人員提供更好的決策依據(jù)。”

“雖然我們看到的只是一個(gè)畫面，但在這個(gè)畫面背后卻蘊(yùn)含著巨大的數(shù)據(jù)量。”盧石磊說，在航天器運(yùn)行過程中，會(huì)實(shí)時(shí)回傳飛行器的測控?cái)?shù)據(jù)，如航天器軌道數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)以及運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等，每秒回傳到地面的數(shù)據(jù)有8G數(shù)據(jù)，三維可視化平臺(tái)可以將這些數(shù)據(jù)在0.1秒內(nèi)進(jìn)行“實(shí)時(shí)翻譯”，驅(qū)動(dòng)北京航天飛行控制中心屏幕上的飛船模型調(diào)整位置與姿態(tài)，讓地面控制人員可以在第一時(shí)間看到飛船“實(shí)況”。

盧石磊介紹，除此之外，飛船速度是否與空間站核心艙同步，交互對接時(shí)對解鎖旋轉(zhuǎn)是否正常等，這些在系統(tǒng)內(nèi)都能顯示。

據(jù)介紹，沒有這套系統(tǒng)之前，地面控制人員主要通過數(shù)據(jù)來推測飛行器的運(yùn)行情況，回傳回來的都是數(shù)字，如距離地球的高度等，而現(xiàn)在就可以看到畫面了。

“我們這個(gè)系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)完善的系統(tǒng)，根據(jù)每次任務(wù)特點(diǎn)會(huì)對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整就可以。”

助力我國首次進(jìn)行月球表面地形建立

除了參與載人航天工程，山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室還在探月工程中也有深入?yún)⑴c。

盧石磊介紹，2013年，嫦娥三號(hào)首次落月，落月后，要進(jìn)行環(huán)著陸器運(yùn)行，在此之前，要為玉兔號(hào)月球車制定一個(gè)路徑規(guī)劃，“這個(gè)路徑規(guī)劃也是我們的系統(tǒng)制定的。”

“這個(gè)地形建立難度很大。”盧石磊說，玉兔號(hào)在月球掃描后，將數(shù)據(jù)回傳地面，回傳到地面的數(shù)據(jù)主要是衛(wèi)星圖片，要求他們在最少的時(shí)間依據(jù)這些數(shù)據(jù)將地形建立。

盧石磊說，月球表面凹凸不平，且表層有厚達(dá)30厘米的月壤，地形建立至關(guān)重要。

“地面操控人員要根據(jù)地形規(guī)劃路徑，月球表面有很多凹坑，那系統(tǒng)里顯示就要是凹坑，如果系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，地面操控人員根據(jù)錯(cuò)的地形就可能做出錯(cuò)誤的規(guī)劃，影響探月工程。”盧石磊說，回傳回來的數(shù)據(jù)量很大，最終他們利用最短時(shí)間就做出地形建立，在系統(tǒng)內(nèi)同比例顯示月球表面地形，為玉兔號(hào)月球車的路徑做了重要參考。

“這是我國首次為月球表面在玉兔號(hào)月球車視線可及范圍內(nèi)首次進(jìn)行地形建立。”盧石磊說。

未來將主攻空間小碎片監(jiān)測

說到這套系統(tǒng)，不得不提創(chuàng)始人、團(tuán)隊(duì)學(xué)術(shù)帶頭人趙正旭教授，“這套系統(tǒng)就是以他原本的70萬行代碼為基礎(chǔ)研發(fā)出來的。”山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士李文博說。

趙正旭工作中

趙正旭是我國1977年恢復(fù)高考后的首批大學(xué)生，后來踏上了前往英國的學(xué)習(xí)之路，成為我國較早開展航空領(lǐng)域計(jì)算機(jī)研究的學(xué)者之一。回國后，于2008年?duì)款^組建了創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，開始了航天測控可視化技術(shù)攻關(guān)中。

面對像天書一樣的軌道數(shù)據(jù)，趙正旭和團(tuán)隊(duì)成員迎難而上，在實(shí)驗(yàn)室開始了航天技術(shù)攻克。

最終研發(fā)的深空探測實(shí)時(shí)三維可視化系統(tǒng)及地外遙操控作業(yè)平臺(tái)，打破了國外對我國的技術(shù)封鎖，為我國載人航天、深空探測、探月工程及空間站建設(shè)提供了精確實(shí)時(shí)的三維可視化技術(shù)手段。

山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任郭陽介紹，這套系統(tǒng)能在地面將各類航天工程測控任務(wù)三維、立體、實(shí)時(shí)地加以還原，填補(bǔ)了國內(nèi)該領(lǐng)域的科研空白，相關(guān)指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。目前已經(jīng)廣泛、深度參與了載人航天工程“天宮”系列、“神舟”系列和空間站建設(shè)、探月工程“嫦娥”系列、火星探測“天問一號(hào)”任務(wù)等多個(gè)國家重大航天工程。

趙正旭于2021年榮獲“齊魯最美教師”稱號(hào)。

“我們學(xué)校在空間信息領(lǐng)域形成完整本碩博人才培養(yǎng)體系，以英國皇家學(xué)會(huì)工藝院院士、長江學(xué)者特聘教授、北京航天飛行控制中心特聘專家趙正旭領(lǐng)銜，形成以院士引領(lǐng)、泰山學(xué)者領(lǐng)銜、60多位青年學(xué)者組成的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)。”山東省空間碎片監(jiān)測與低軌衛(wèi)星組網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室執(zhí)行主任郭陽介紹，學(xué)校目前共承擔(dān)53次航天工程任務(wù)，鑒于學(xué)校在歷次航天工程任務(wù)的貢獻(xiàn)，2023年12月，國際天文學(xué)聯(lián)合會(huì)將11139號(hào)小行星命名為“青島理工星”，成為山東省屬高校中首次擁有專屬小行星命名的高校。

郭陽介紹，下一步，實(shí)驗(yàn)室將主要開展對太空小于10cm的空間小碎片進(jìn)行監(jiān)測，“這項(xiàng)工作在國內(nèi)還沒有成熟的平臺(tái)來監(jiān)測，目前主要通過陸基天文觀測設(shè)施實(shí)現(xiàn)，只能觀測到10cm以上的碎片，我們希望在這方面能有更大的突破，為祖國的航天事業(yè)繼續(xù)貢獻(xiàn)力量。”