上海科研助嫦娥“挖土”心中有数
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2021年5月9日经过约19小时月面采样，嫦娥五号顺利完成月球“挖土”。此刻，月壤样本正由嫦娥五号送往地球。在这背后，中科院上海技物所研制的月球矿物光谱分析仪、激光测距测速敏感器和激光三维成像敏感器表现出色，也离不开同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队的贡献。
“两台激光敏感器相当于汽车的避障雷达，是嫦娥五号的‘开路先锋’，月球矿物光谱分析仪则是汽车上的乘客，不仅获得了采样区的光谱图像和红外信息，还采集到了月面原生态环境下的光谱数据。”上海技物所副所长、月球与深空探测系列载荷指挥舒嵘说。
嫦娥五号落月之前，微微停顿后才果断降落，仿佛先“定睛一看”，心中有数，落月不慌。“我们团队自主研究的遥感空间信息可信度理论方法，以高可信度探测出威胁安全软着陆的月石月坑障碍。”同济大学童小华教授说。
即使0.1米/秒的变化也能分辨
12月1日23时11分，嫦娥五号成功自主软着陆于月球正面风暴洋吕姆克山脉以北地区。
“嫦娥五号开始执行任务的那一刻起，我们就得到了着陆器跟月球之间的距离信息。”舒嵘介绍，距离信息是一个核心参数，这对于嫦娥五号的自主控制来说是非常关键的。上海技物所的两台激光敏感器，实现了从远距离测量到20公里的降落距离测量，再到2.4公里的速度测量，最后到100米的避障悬停，实现了漂亮连贯的接力动作。
据介绍，在嫦娥三号和嫦娥四号时，已经实现了激光测距和激光三维成像，但嫦娥五号需要携带更多载荷，因此对激光器重量的要求比较苛刻。“对有继承性的仪器，我们主要做的是‘减重’和提高可靠性，与嫦娥三号和嫦娥四号同类产品相比，嫦娥五号的激光测距敏感器和三维成像敏感器减重30%，但却新增了激光测速的功能。”嫦娥五号激光测速敏感器/激光三维成像敏感器主任设计师、上海技物所研究员徐卫明说。
坑坑洼洼的月球表面有点像戈壁滩，嫦娥五号在降落过程中还需克服发动机的微震动，这些因素都会引起信号的衰减，给测速带来不小的难题。上海技物所研制的激光测距测速敏感器不仅“不辱使命”，还实现了国际上第一次在地外行星软着陆时，使用激光多普勒测速技术进行三个正交方向的速度测量。“这一测速精度达到0.1米/秒，我们只用了6千克的重量资源就完成了三个方向的速度测量。也就是说，着陆器的速度即使发生了0.1米/秒的变化，测速敏感器也能把它分辨出来。测速精度越高，落月也就更稳。”
据介绍，嫦娥五号在悬停避障阶段，激光三维成像敏感器开机工作，成功获取激光点云图像，顺利完成障碍物识别，快速平移6米后安全着陆。
矿物光谱信息助力判断月壤成分
12月2日5时06分，上海技物所研制的月球矿物光谱分析仪顺利开机，对月球“挖土”区进行了光谱成像和红外光谱探测。
“嫦娥三号和嫦娥四号的月球车携带过红外成像光谱仪，其红外光谱探测范围达到2.4微米，而嫦娥五号的月球矿物光谱分析仪，光谱范围拓展到了3.2微米，从而具备了探测水化合物的能力。”嫦娥五号月球矿物光谱分析仪主任设计师、上海技物所研究员何志平说，红外成像光谱仪不具备自主选择目标进行探测的能力，只能依靠月球车去调整姿态，而月球矿物光谱分析仪通过集成一个可转动摇摆的光学反射镜，如果看到感兴趣的目标，比如矿石，就可指向它，有针对性地进行探测。
何志平介绍，月球矿物光谱分析仪获得的科学数据还可以结合未来实验室对于月面样品的测试分析，对月球进行深入研究。“由于从来没有人类活动，嫦娥五号落月区的月面一直是原生态的，对采样前后的光谱和图像信息进行比较，这有利于月球演化的科学研究。”
嫦娥五号的采样点与美国、前苏联选择的不一样，它的月面物质更年轻。月球矿物光谱分析仪获得光谱信息后，科学家就能初步判断月壤的成分。“这就像是野外勘探，如果有了光谱信息，采样时也就有了可选择的参考。”何志平说。
综合实验场将继续服务后续工程
相较于嫦娥三号、四号任务，嫦娥五号任务对于探测器着陆点的位置精度和平整度有空前高的要求：着陆区域内应没有太高的凸起，没有太深的凹坑，坡度也要符合任务要求。在落月时，探测器在飞到距离月面100米时悬停，激光三维成像敏感器在悬停时提供月面着陆区的精确三维图像，选定着陆点实现“精避障”；最终着陆于月球正面风暴洋的吕姆克山脉以北地区。
同济大学童小华教授领衔的“航天测绘遥感与深空探测研究团队”，由同济大学测绘、土木、信息、物理等多学科成员组成。团队多年自主研究的遥感空间信息可信度理论方法，突破航天探测场景静态要素可信度量、航天器实时动态数据可信处理和海量遥感空间数据产品可信评估难题，实现激光三维遥感测量的质量提升。
同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队与中科院上海技物所团队历经十余年合作，在同济大学嘉定校区内，建设了航天激光器载荷检校与障碍探测验证地面综合实验场，相继完成了嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号等着陆避障激光三维成像系统全系列产品二十余次检校与障碍探测验证任务。
童小华教授介绍，已建成占地三万多平方米的月球与深空探测精密测绘综合实验场。将来，实验场将继续服务后续嫦娥工程，以及合作开展我国月球南极探测、火星探测和小行星探测研究。
（原载于《解放日报》 2020-12-05 08版）
