来自月球的“土特产”首次抵沪

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日前，一份月球“土特产”——从嫦娥五号采回的月球样品被同济大学成功签收，这是上海首次收到月球科研样品。经月球样品专家委员会评审、探月与航天工程中心审核，国家航天局探月与航天工程中心通过了同济大学关于嫦娥五号月球科研样品的申请。此次，同济大学获批嫦娥五号月球样品4份，其中细粒月壤粉末样品2份，岩屑样2份。
2020年11月24日凌晨4时30分，嫦娥五号在海南文昌航天发射场发射升空，完成月球表面自动采样任务后，于2020年12月17日凌晨1时59分自月球凯旋，在内蒙古四子王旗着陆场安全着陆，携带1731克月球样品返回地面，实现中国首次月球无人采样返回。
这份月球“土特产”顺利抵达同济大学后，学校启动月壤相关科学研究。同时，同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队还将追随航天脚步，向更遥远的深空探测挺进。
让“嫦娥”最后百米看清月面
嫦娥三号、嫦娥四号、嫦娥五号探测器先后成功软着陆月球，每一次都是同济大学师生的自豪时刻。因为“嫦娥”进入动力落月阶段，最后百米悬停避障段的关键环节由同济大学测绘学科带头人童小华教授领衔的航天测绘遥感与深空探测研究团队参与研究、助力完成。
嫦娥探月工程中，探测器落月的关键是软着陆。所谓“软着陆”，即通过缓冲手段来减小降落时的垂直速度，使之以安全的速度平稳降落月球表面。其中的关键技术是在降落过程中，采用光学和激光三维测量等技术实现接力避障，让着陆器选择在平坦地形下降，确保“嫦娥”安全落月。“嫦娥五号对于探测器着陆点的位置精度和平整度都有极高的要求：着陆区域内没有太高的凸起，没有太深的凹坑，坡度也要符合任务要求。特别是在落月的最后几分钟，探测器自主降落阶段非常关键，在距离月面100米高度时，悬停、激光成像测量、选定着陆点、精确避障等一套连贯动作都要高度精准，一气呵成。”童小华说。
悬停的内涵就是避障，重点要让“嫦娥”在空中看清月面。难点在于，悬停时间十分短，要让“嫦娥”在“比一眨眼还短”的时间内探测出障碍物，避开起伏超过20厘米的凹坑和凸起的石头。在这一瞬间，如果障碍物不能得到精准量测，就会导致“嫦娥”看不清月面。而且机会只有3次，不然着陆器就要进行盲降。
童小华带领团队与中科院相关院所和航天部门密切合作，经过多年自主探索，他们建立起测绘遥感空间信息可信度理论方法和技术体系，以高可信度保障嫦娥探测器软着陆激光悬停避障探测关键任务的完成。
“嫦娥”落月的自主控制阶段，被业界称为“黑色720秒”。这一刻，“嫦娥”脱离地面控制，要完全靠自己的能力独立完成一连串落月动作，“嫦娥”要自主判断、自主避障、自主选址。据介绍，自主降落风险很大，全球航天深空实现探测器软着陆的成功率不到50%。2019年，全球共有3次航天器落月着陆，只有中国成功了，并且实现了人类探测器首次到月球背面着陆。
以高可信度探测出月面障碍
自从2008年参与“嫦娥三号”着陆避障激光三维高精度测量任务开始，同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队就踏上了为航天重大工程求索创新之路。
测绘遥感空间数据是国家重要的战略资源，数据的质量决定实际应用成效。目前国际上尚无成熟解决这一问题的有效方案。经过多年探索，同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队实现了航天重大工程遥感空间信息可信度理论与关键技术的突破，解决了航天探测场景静态要素的误差可信度量、航天器实时动态遥感信息的质量可信控制、海量遥感空间数据产品的质量可信评估等一系列共性难题。这些研究成果为“嫦娥”落月提供了重要的理论支撑，特别是激光三维系统实现在极短成像时间条件下的量测级探测精度。如，在使用月球或火星轨道器影像对着陆区选址进行地形分析时，采用团队建立的颤振探测与影响补偿技术方法和软件，弥补颤振对测图精度的影响，才能把颤振引起的伪地形尽可能消除，使地形更精准。
与此同时，针对嫦娥探测器激光三维系统着陆避障的探测任务，同济大学与中国科学院上海技术物理研究所团队一起，历经十余年合作，在同济大学嘉定校区建立了一个占地3万多平方米的月球与深空探测精密测绘综合实验场，创新性地建立宽视场多法向大平面检校方法，进一步提高激光测量精度和避障准确性，将着陆区全视场激光三维探测精度从分米级提高到了厘米级，以高可信度探测出威胁安全着陆的月面障碍。
据悉，此次成功申请获批的嫦娥五号采集的月球样品，对于深入开展月壤遥感物化性质分析、模拟月壤研制、器—壤相互作用、月面原位材料利用与智能建造等方面的研究，具有重要意义。目前，同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队与航天部门、中国科学院等合作，正在开展我国探月工程四期月球南极探测和建立月球科研站、小行星探测方面的理论方法研究、关键技术攻关和信息数据产品研发，继续为我国月球与深空探测贡献智慧。