从航天可视化到可视化航天

2010-10-21 08:50 来源: 科学时报
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  自9月28日进入北京航天飞行控制中心,在历时12天的紧张工作中,石家庄铁道大学校信息科学与技术学院院长赵正旭教授及刘展威、佟宽章、王威4人圆满地完成了嫦娥二号三维可视化前期任务。向全球展现了嫦娥二号发射任务的实时精彩仿真。

  “以前是航天可视化,现在是可视化航天。”北京航天飞行控制中心总工程师周建亮不无赞赏地说。嫦娥二号三维可视化系统不仅达到了世界先进水平,而且使中国的航天可视化事业一举走在了世界前列。

让绕月之旅直观呈现

  “科学可视化作为一种特殊的计算方法,其奥妙就是把浩如烟海的数据转换成图形,描绘成数据‘风景’,为人们提供一种发现不可见信息的方法。”赵正旭说。

  自今年5月始,赵正旭带领团队开始了嫦娥二号绕月探测任务三维可视化系统平台的研发工作。

  “嫦娥二号绕月探测任务三维可视化系统就是利用虚拟现实技术,把只有专业人士才能看懂的数据转化成普通人都能看明白的直观图像,一是便于监控人员随时操控指挥飞行器运行状态,二是让所有人一起分享嫦娥二号精彩的绕月之旅。”赵正旭说,“嫦娥二号绕月探测任务三维可视化系统平台覆盖了火箭点火与发射、上升段、转移段、环月段的可视化控制,包括遥控指令、火箭动作、遥测跟踪、飞行器变轨修正、近月制动、飞行器姿态控制、接口驱动等关键工程环节的可视化控制任务。主要用于表现嫦娥二号飞行情况,并对其进行实时监控,实现多目标多任务下嫦娥二号及运载工具的运行状态以及星空和空地运行环境实时模拟的虚拟现实系统。”通俗地说,就是用三维的环境把真实的宇宙深空“拉近”,让人们在身临其境中感受几十万公里外嫦娥二号绕月、探月整个过程。

  “嫦娥二号绕月三维可视化平台除了仿真功能外,一个最重要的功能就是实时监控,数据的传输需要时间,监测人员通过数据进行判断也需要时间,三维可视化平台通过直观的画面快速显示,监测人员一目了然中可以随时了解卫星飞行情况,通过这一平台调整卫星飞行轨道。不仅如此,通过三维可视化平台系统还可以进行前期仿真模拟实验,以此检验理论设计,优化操作,达到最佳状态。”赵正旭说。

  据了解,与前辈嫦娥一号相比,嫦娥二号最大的特点就是飞向月球更快了。嫦娥一号环绕地球飞了7天,经过4次变轨,最终才飞向月球;而嫦娥二号由长征三号丙火箭直接送入近地点200公里、远地点约38万公里的奔月轨道,一步到位进入地月转移轨道,飞行时间大概只需112个小时。由于火箭燃尽后的最大速度直接决定远地点的高度,出现几米每秒的速度误差就会将嫦娥二号直接打飞甚至撞上月球,对火箭入轨精度要求极高,用“失之毫厘谬以千里”来形容再正确不过了。嫦娥二号绕月三维可视化平台如同无处不在的“第三只眼”,为嫦娥二号顺利入轨,乃至绕月保驾护航。

  负责嫦娥二号工程的有关负责人前期在与赵正旭进行短信交流中写道:“嫦娥二号绕月探测任务三维可视化系统平台是当之无愧的国际领先水平,能在这么短的时间内达到实战应用,已经很不容易了。”

  10月1日,伴随着西昌卫星发射中心“点火”成功,半个小时后,北京航天飞行控制中心主屏幕上,嫦娥二号精彩的飞天绕月之旅通过可视化平台栩栩如生、美轮美奂地展示在全国乃至世界的面前。随后的日子里,嫦娥二号三维可视化系统运行异常平稳。

  “原来最担心的是你们这一块,现在最放心的也是你们这一块。”北京航天飞行控制中心领导说。

  据赵正旭介绍,从星箭分离开始,直到嫦娥二号任务结束,嫦娥二号所有的实时仿真的展示都是由“三维可视化系统平台”实现,包括卫星在地月转移段、月球捕获段和环月运行段的多次变轨控制;经地月转移段几次中途修正;月球捕获段的近月制动及平面机动;控制卫星进入100公里极月圆轨道,进入近月点15公里的试验轨道;完成虹湾区域月面的高分辨率成像后,控制卫星返回100公里极月轨道,等等。

成就嫦娥二号绕月可视化之旅

  自今年5月开始,作为嫦娥二号绕月精彩之旅转播及监测平台,嫦娥二号探月工程可视化系统正式开发。在短短的近5个月的时间里,中国首次深空探测可视化平台研发者赵正旭教授带领团队,突破了一个个难题,圆满地完成了项目的所有既定目标。

  自接受嫦娥二号绕月探测任务三维可视化系统平台的研发工作以来,赵正旭和团队人员就开始了没日没夜的工作,工作到深夜一两点是经常的事儿。

  由于科研工作紧张和连日劳累,身体一向强壮的赵正旭吃不下饭了,“有几天是吃什么吐什么”。

  可视化平台模型创建者王威,上午举行完新婚典礼,下午就走进实验室。负责网络数据通信的佟宽章今年孩子刚1岁多,他不得不把孩子送到父母家。

  这个由4人组成的团队,除了赵正旭之外,其他3个人都是第一次参与国家航天科技攻关工作,压力是可想而知的。

  中秋节是举家团圆的时刻,可他们却是在北京航天飞行控制中心度过的。嫦娥二号即将发射,所有前期准备工作都在紧锣密鼓中进行,三维可视化系统平台调试工作也不例外,他们中的每一个人都既紧张又兴奋。

  10月9日上午11时34分完成第三次对月制动后,科研小组人员回校休整。因为匆忙,来不及摘下工作证,车行至满城服务区休息时,服务区的工作人员惊喜地发现了大家的身份,兴奋地说:“非常精彩,非常好看,太激动人心了。”那一刻大家喜悦之情无以言表。“那么多的领导表扬我们,但是这句话更激励我们”。

航天科研成果累累
 

  “虚拟现实是我的研究方向,当然更是我的爱好。”1988年,原本在国内学习机械专业的赵正旭,出国后到英国斯坦福大学攻读计算机科学博士学位,自此开始了虚拟现实技术研究与系统开发。

  经过10余年的不懈努力,终于研发出17万行代码的TDS虚拟现实软件系统。

  “该系统是一个完整的、大型的、海量级的空间技术模拟计算与信息控制系统,不仅包括了美国航天局和欧洲空间指挥中心目前所使用的同类系统的所有功能,而且还具有扩展模块、用户工具、网络支持、脚本编程和实时控制等独特功能,其最大的特点就是功能全、通用性强,探月工程后续‘落月’、‘回月’阶段都可以用,今后国家深空探测也可以使用。”赵正旭表示。

  自主研发,亲自编程,TDS虚拟现实软件系统倾注了赵正旭太多的智慧和心血,因为拥有完全的自主知识产权,有人想出钱购买,但让赵正旭回绝了。“我研发这一软件系统的初衷不是为了钱,我只是想为国家、为中国的航天事业做点实质性的工作。”

  即使在国外期间,赵正旭也先后参与了我国“神三”、“神五”、“神六”、“神七”发射的一些科技攻关工作。因研发工作涉及国家机密,所以一直“默默无闻”。但是历史不会忘记,赵正旭先后荣获了世界MARQUIS科技荣誉奖、英国电力工程师协会最佳研究奖、英国剑桥国际技术荣誉奖等多项国际大奖。2008年,英国derby大学特聘赵正旭为科学博士,这也是derby大学有史以来第一位科学博士。

  2008年,阔别祖国20年的赵正旭携夫人回国。回国后,很快就投入到我国航天测控可视化专业领域。2009年4月开始研发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。

  目前,世界上只有美国国家航空航天局和欧洲太空局拥有深空探测三维可视化平台,赵正旭研发的火星探测三维可视化平台不仅具有自主的知识产权,同时还达到国际领先水平,填补了中国航天业可视化事业的空白,对中国航天事业来说是一个巨大的跨越。

  “如果去年10月份火星探测计划不推迟,那么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深空探测三维可视化平台与嫦娥二号绕月三维可视化平台的功能是一样的。”提起去年萤火一号并未如期发射,赵正旭有些遗憾。

  今年5月份,赵正旭开始嫦娥二号绕月可视化系统平台的建立和调试。“整个可视化平台的构建初步分为一期、二期、三期3个阶段,一期是针对嫦娥二号探月工程任务的可视化,二期是用于后期的交会对接任务,三期将服务于今后的深层空间探测工程。最终实现二代可视化系统,满足火星探测、嫦娥探月及交会对接任务的模拟仿真、控制计算、数据处理、信息可视化等要求,建设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。”赵正旭说。