以下文章来源于中国测绘学会 ，作者中国测绘学会
本文内容摘自《中国测绘》2023年第7期
——访同济大学副校长童小华教授
深空探测是人类探索宇宙奥秘和寻求永续发展的重要途径，是拓展人类生存空间、丰富人类认知的重大新兴领域。日前，同济大学副校长童小华教授在《从地球测绘到地外天体测绘》一文中指出，深空探测已成为测绘遥感科学与技术的前沿和新战场，得到了全新发展。
测绘遥感技术在深空探测中起着极为关键的重要作用，是月球与深空探测任务的主要手段和重要支撑。同济大学在深空探测测绘遥感与自主导航定位领域有着多年探索和实践，曾先后参与了“嫦娥”系列月球探测和“天问一号”火星探测等多项深空探测测绘任务，有着一定的技术积累。
童小华教授和学生们在着陆实验场
面对高质量发展新要求和国家航天事业发展新需求，我国深空探测测绘遥感与导航定位技术如何创新发展？面向国家重大战略需求，同济大学如何发挥自身优势，加快推动我国地外天体探测测绘遥感技术的发展和应用？《中国测绘》记者就相关话题采访了童小华教授。
记者：测绘遥感与自主导航定位技术在深空探测中起着怎样的关键作用？与相对成熟的对地观测、航空遥感测绘技术相比，目前我国深空探测测绘遥感领域取得了哪些新进展、新技术和新成果？
童小华：1957年10月4日，全球第一颗人造地球卫星成功发射，标志着人类进入航天时代，包括地球观测和深空探测。深空探测是指脱离地球引力场，进入太阳系空间和宇宙空间的探测。经过数十年的探索，已基本覆盖了月球、行星、小行星和彗星等太阳系各类型天体，为揭示宇宙奥秘不断努力。从20世纪末至今，世界上主要的航天大国出于航天科技发展和国家战略考虑，纷纷提出月球、火星、小行星和其他类地行星的探测计划并积极实施，掀起了新一轮深空探测热潮。
高精度测绘遥感技术是深空探测不可或缺的核心技术，对地外天体资源勘查、探测选址、安全着陆、路径规划、探测巡视、科研站和基地建设等都起着关键作用。在深空探测任务中，通过轨道器可以对行星、卫星、小行星等目标进行遥感观测，从而获取大量遥感图像，进一步对天体地形地貌进行精细测绘，对光照、石块、撞击坑、地貌特征、矿物组成等进行建模和识别，为探测器巡视导航和目标选择提供重要参考。
例如，在月球探测任务中，利用遥感数据研制的高精度DEM（数字高程模型）、石块丰度、撞击坑丰度等，是工程安全的关键数据产品，可以帮助探测器选择最佳着陆点，并为探测器的巡视路径规划提供参考。
自主导航定位技术可以帮助探测器在没有地面控制的情况下，自主进行导航和定位，主要包括视觉导航、星敏感器、惯性导航系统等。例如，在火星探测任务中，火星车需要在火星表面进行探测和移动，由于火星与地球的通信延迟较大，地面控制中心无法实时控制探测器的移动。因此，火星车需要利用自主导航定位技术，确定自身位置和运动方向，进而实现自主移动和科学探测。
我国目前已成功实施探月工程一、二、三期，实现了“嫦娥”月球探测“绕、落、回”三步走目标，以及完成了首次火星探测任务“天问一号”等重大深空探测任务，制定了针对近地小行星采样返回及主带彗星探测任务(预计2025年前后发射，整个计划超过10年)。
一方面由于深空环境的复杂性、挑战性及先验信息的未知性，月球与深空探测一般遵循由远及近、先无人后有人的发展路线。首先，借助较远距离的绕轨卫星，通过测绘遥感获取大范围地理空间信息；然后，利用着陆巡视器等开展近距离的遥感观测获取；最后，再进行有人探测活动。因此，遥感测绘技术在深空探测中起着极为关键的作用，是月球与深空探测任务的主要手段和重要支撑。例如，“天问一号”探测器在到达火星后，先在火星环绕轨道运行，对预选着陆区开展详查，为着陆火星提供足够的地形、气候、探测科学性等信息支撑。
另一方面，深空环境的特殊性也对遥感测绘技术提出了新的要求和挑战。例如，在深空探测车的行驶探测过程中，没有地球环境下建设的道路及高精度道路地图信息支撑，也没有丰富的卫星定位导航辅助，同时受限于重量和功耗，探测车的计算性能有限，搭载的测绘传感器主要为视觉相机。这些差异使得深空环境下巡视导航测绘遥感具有独特挑战，有赖于发展新型测绘遥感技术和方法。
因此，月球与深空探测已成为测绘遥感科学与技术的新战场和前沿。在多类型的月球与深空探测任务驱动下，测绘遥感技术也得到了全新的发展，逐步形成了以环绕遥感测图、着陆导航遥感避障、巡视导航视觉测图为主的深空遥感测绘新技术体系。
记者：我们注意到，2023年“中国航天日”主场活动启动仪式上，国家航天局和中国科学院联合发布了中国首次火星探测的火星全球影像图。那么，在地外天体遥感测图方面，我国已形成了哪些深空探测形貌数据图型产品？目前还有着怎样的难点和挑战？
童小华：地外天体遥感测图是一个涉及科学探测与工程安全的重要领域，是深空天体探测的基础性工作。国外内深空探测任务几乎都搭载了相机等传感器，来获取地外天体表面的形貌信息，制作全球多尺度或局部精细尺度的数字高程模型等，从而支持地外天体探测任务科学目标制定、地质构造及其演化科学分析、安全着陆区选取等工程任务和科学研究。
测图精度对其应用效果和工程任务顺利开展具有关键性影响，而深空探测中姿态轨道测量精度低、缺少高精度控制，受复杂地形和光照等环境因素影响严重，使得地外天体遥感测图相对地球遥感测绘具有更大挑战。
轨道器、着陆器和巡视器能产生多类型遥感数据。目前，我国“嫦娥一号”“嫦娥二号”“嫦娥三号”和“嫦娥四号”分别于2007年、2010年、2013年和2019年先后绕月和登月探测。基于自主获取和国际公开的数据，我国已研制了月球和火星全球的影像图、DEM、光照、撞击坑、石块、亮温、矿物、地质和物理等遥感数据产品。
月球和火星的地形复杂多变，月球光照变化强烈、火星具有沙尘暴等气象，需要高精度的测绘数据支持，目前测绘精准度和精确度仍需再提高。月球和火星环境恶劣，存在较强的辐射、温度变化等问题，对探测器遥感数据的定标也提出了很高要求。
此外，地外天体遥感探测需要传输大量数据，对数据传输和处理的速度和效率同样提出了很高要求，同时也需要对数据进行高效处理和分析。特别是由于月球和火星距离遥远，对卫星轨道控制能力、通信能力、平台和传感器抗噪能力等都提出了极高的要求。研制月球和火星全球的形貌和物质成分等高精度地图，仍是将来一段时间内的挑战性任务。
在关键技术上，月球和火星等地外天体遥感测图首先需要构建全球控制网，为遥感测图提供控制基准。总体来看，月球和火星现有全球控制网精度较低，已不能满足后续新型轨道器高精度遥感数据制图需求，亟须综合利用最新多任务轨道器高分辨率高精度遥感观测数据改进和提高全球控制网精度。
日前，同济大学、中国科学院空天信息创新研究院、香港理工大学等多家单位利用LROC窄角相机影像对“嫦娥四号”“嫦娥五号”着陆区进行了高分辨率制图。针对我国后续将开展的“嫦娥七号”“嫦娥八号”等月球南极探测任务，同济大学基于LROC窄角相机影像、LOLA激光测高等国内外多源遥感数据，制作了月球南极1.5米分辨率三维地形，为我国月球南极探测着陆选址提供高分辨率空间信息支撑。
记者：请您通过具体应用场景，介绍一下地外天体环绕遥感测图、着陆导航遥感避障、巡视环境感知与自主导航定位等测绘遥感关键技术的相关应用。目前，童小华教授您带领的同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队在这些关键技术研究上取得了哪些新进展和新突破？
童小华：轨道器遥感测图可以提供高分辨率的地形数据、地貌图像和地质构造信息，为地外天体的科学研究提供基础数据。如NASA（美国航空航天局）和中国嫦娥探测器通过轨道器探测获得了大量光学和激光遥感数据，采用摄影测量和光影法等，可以研制高质量月球地形数据。着陆导航遥感避障技术可以提供高精度的导航信息和避障策略，保证探测器的安全着陆和正常运行；
又如，“嫦娥三号”等任务采用三维激光遥感方法，实现百米悬停精避障，保障了其在月球着陆安全。巡视环境感知与自主导航定位，可以实现探测器的智能化运行，提高探测效率和准确性；
再如，“嫦娥三号”搭载的“玉兔一号”“嫦娥四号”搭载的“玉兔二号”“天问一号”搭载的祝融号等巡视器，需要全景相机、深度相机等实现精准的视觉导航。
同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队，建立了地形与光照产品研制技术和系统，研制了月球南极1.5m分辨率的地形与光照产品，应用于月球探测选址、工程安全、载荷论证等。建立了着陆避障激光三维遥感信息精准处理方法，实现了“嫦娥三号”到“嫦娥五号”的悬停避障、火星“天问一号”高可信度探测。构建了广域和局域深空测绘技术、高速视频测量技术。
试验场位于同济大学，占地3万平方米，用于“嫦娥三号”“嫦娥四号”“嫦娥五号”，火星“天问一号”激光三维成像系统检校与障碍探测评估任务，巡视器、飞跃器等导航方案验证，航天器地面测试高速视频测量等。
记者：您认为，下一步深空探测测绘遥感应如何适应新需求，迎接新挑战？在该技术领域已经走在前列的同济大学，目前正在着手开展哪些研究工作，以助力高质量发展？
童小华：深空探测测绘遥感技术作为一项前沿技术，仍需要适应新需求和迎接新挑战，需要不断提高测绘遥感技术的精准度和分辨率，同时开发新型的遥感探测设备和传感器，以应对更加复杂的地外天体环境。
需要进一步完善自主导航与避障技术，提高探测器的自主运行能力和安全性，同时开发新型的导航与避障算法，以应对更加复杂的地形环境和任务需求。需要开发新型的数据处理与分析技术，以实现对大规模、多源、多元的地外天体数据的高效处理和分析，同时提高数据的可视化和智能化处理能力。需要进一步优化探测任务规划和管理，以提高任务的执行效率和成果质量，同时开发新型的任务规划和管理工具，以提高任务的智能化和自动化水平。
目前，同济大学航天测绘遥感与深空探测研究团队正在开展多项研究工作。例如，高精度和高分辨率DEM研制技术、月球大范围高分辨率光照产品研制技术、月球与火星特征形貌遥感识别技术、月球与火星精细着陆选址技术、基于天地联合的自主导航定位技术、大规模月壤制备技术、月球科研站3D打印技术等，同时还与多家科研机构开展广泛合作，以推动我国地外天体测绘遥感技术的发展和创新应用。
记者：同济大学发布的2023年招生宣传片《镜界》中有这样一句话：你可以成为前沿科学的探索者，让遥感之镜带你到广豪的宇宙边境，从此遥不可及成为触手可及。您如何理解深空探测测绘遥感未来的“镜界”，我们将看见一个怎样的“触手可及”的未来？面向国家重大战略需求，同济大学测绘遥感人将如何发挥自身优势，在中国式现代化新征程上贡献自己的力量呢？
童小华：“镜界”是一个富有想象力和未来感的词语，它代表了人类对于深空探测测绘遥感技术的期望和追求，也代表了这项技术未来的巨大潜力和发展空间。在未来的“镜界”中，深空探测测绘遥感技术将成为人类探索宇宙的重要工具和手段，为我们揭示宇宙的奥秘和未知领域，让我们更加深入地了解宇宙的本质和演化。随着技术的进步和发展，我们也将能够更加精准、高效和全面地探测、测绘、分析和理解地外天体的信息，实现更多的科学发现和应用。
面向国家重大战略需求，同济大学测绘遥感人将发挥自身优势，在中国式现代化新征程上贡献自己的力量。作为一项前沿技术，深空探测测绘遥感技术在国家月球与深空探测中具有广泛的应用前景。同济大学测绘遥感人将在科学研究、技术创新、人才培养等方面发挥重要作用，为我国深空探测测绘遥感技术的发展和应用做出新的贡献。
总之，深空探测是世界各航天强国进行空间探索和科技创新的战略制高点。近年来，我国在深空探测领域取得了举世瞩目的成就，其中测绘遥感为深空探测任务的成功提供了关键的空间信息技术支撑，深空探测已成为测绘遥感科学与技术的前沿和新战场。
转自：“测绘学术资讯”微信公众号
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