科研学术

　　【编者按】探索浩瀚宇宙是整个人类的梦想，也是与电子信息诸多学科密切相关、需要诸多行业共同携手推动的系统工程。近日，以“探索浩瀚宇宙——深空探测：中国2020”为主题的中国宇航学会深空探测技术专业委员会第十四届学术年会在电子科技大学举行，各位专家学者深入探讨了如何在深空探测方面抢占制高点、为探索浩瀚宇宙做出更大贡献等问题。电子科大学生记者团整理了开幕式当天的部分报告内容，以飨读者。

航天是支撑中华民族伟大复兴的最前沿领域之一

　　“航天是支撑中华民族伟大复兴的最前沿领域之一，在很大程度上体现了我国现代化水平的高度与广度。”中国探月工程总设计师、中国工程院院士吴伟仁介绍了中国与世界航天发展现状，并呼吁各位专家学者一如既往地支持和参与祖国的航天事业。

　　他指出，航天已经成为当今世界最具挑战性和广泛带动性的高新技术领域之一，它具有高技术、高投入、高功能、高效益和长周期的突出特点，已经成为维护国家安全的战略基石，是推动科学技术进步、服务经济建设发展的重要力量，也是国家意志和综合国力的集中体现，更是大国博弈的战略高地。

　　据介绍，最近美国已经启动了“深空之门”项目，计划在2026年左右建设完成，并将以此为基础在2030年左右建成“深空飞船”项目。目前，世界航天事业已经形成了以美、俄、欧组成的第一梯队，中、日、印组成的第二梯队，其他国家组成的第三梯队的发展格局。中国在航天实力综合评估中排名世界第四。

　　在这种格局下，世界各国都高度重视航天的重大战略地位，更加注重核心技术创新和能力水平的快速提升，并加快形成了由国家主导的多元化发展模式。目前，世界航天事业总体呈现出竞争、合作的新常态，空间战略资源（如空间轨道、位置、无线电频率）竞争激烈，美国更是鼓励私营企业“跑马圈地”开发太空资源，且对国际规则主导权的争夺不断加剧。

　　吴伟仁认为，中国与世界先进水平还有一定差距，但中国也在不断赶超发达国家。他指出，在党和国家的高度重视以及几代航天人的不懈努力下，我们已经取得了“东方红一号”“神舟五号”和“嫦娥一号”等三座里程碑的胜利。目前，我国的航天发展有四大转变：

　　第一，部分领域从“跟跑”向“领跑”转变。运载火箭实现系列化型谱，长征五号跻身世界前列，标志着我国进入了无毒、无污染、大火箭时代；人造卫星构建了以通信、导航、遥感为主体的卫星体系，在轨卫星171颗，排名世界第二；载人航天已成功发射12艘飞船，先后将11名航天员送入太空，完成了船、室、站的前两步任务；在月球探测中，已成功发射4个月球探测器，并成为世界上首个获得7米分辨率全圆月图像的国家，已完成绕、落、回的前两步任务，并且是史无前例地一次性成功，一些中国古今的科学家和中国文化元素已经被永久命名在月球上；在空间科学中也完成了墨子号、悟空号等卫星的发射。

　　第二，航天工业体系实现了从无到有、从小到大的转变。研制生产体系完整配套，发射测控布局不断优化，形成了陆海天一体的航天测控网，管理体系不断规范，在多个行业得到认可。

　　第三，航天工业的服务支撑能力由技术验证向应用服务转变，服务经济社会发展，技术溢出效益显著。

　　第四，开放合作从相对封闭到协同共享转变，国内六大力量全力协同，国际交流与合作成效显著，宇航产品出口不断扩大。

　　针对我国航天强国设计路线图，吴伟仁介绍，中国航天事业要分三步走：第一步，在2020年左右，重点突破，进入航天强国行列，具备较强的国际影响力；第二步，在2030年左右，整体跃升，跻身航天强国前列，拥有较大国际话语权；第三步，到2050年，超越引领，全面建成航天强国，具有较强的国际领导力。吴伟仁发出号召：“建设航天强国的蓝图已经绘制，希望各位同仁一如既往地参与与支持！”

加速我国从“航天大国”向“航天强国”转变

　　“开展深空探测对我国具有重大的科学意义和战略意义，我国要加速从航天大国向航天强国的转变。”中科院国家天文台台长、探月工程月球应用科学首席科学家、中科院月球与深空探测总体部首席科学家严俊在《深空探测科学目标展望》报告中，详细介绍了我国开展深空探测的总体科学目标和分阶段发展规划，并表示要进一步加快发展步伐。

　　严俊指出，目前世界航天事业的参与国家越来越多，探测对象、距离、方式、手段和内容发生了显著变化。结合中国深空探测的现状，他认为：“我们应认识到，这是一项多学科综合、高科技集成的系统工程，可以加速我国从航天大国向航天强国的转变，体现国家的综合实力和竞争力。”

　　他认为，太阳系各类天体的比较研究等热点科学问题，不仅可以帮助人类揭示宇宙的奥秘与生命的起源，还可以进一步帮助我们更好地了解并保护地球。未来，我们的深空探测要以对火星、金星和太阳的探测为主，探测的方式将更加趋向多目标、多任务探测。

　　在总体科学目标上，他认为，在2030年之前，我们要针对深空探测重大关键科学问题，以火星探测为切入点，统筹开展对太阳系的类地行星、巨行星、小天体等的探测，在太阳系的起源和演化、天体活动对地球灾害性影响、地外生命信息探寻等领域取得一批重大科学成果，建立较为完善的深空探测科学研究体系，推动我国天文学等学科发展和空间科学、空间技术的广泛应用。

　　随后，严俊具体阐述了我国在火星、小行星和木星探测三个方面的科学目标：

　　第一，根据火星探测的科学需要，我国火星探测科学目标将按照“一步实现绕落回，二步实现取样回”的发展路线，一期工程主要着眼于火星全局的探测；二期主要着眼于着陆点的现场调查与分析和火星样品的分析研究。

　　第二，我国小行星探测的主要方式是飞越、伴飞、附着和取样返回。在2030年之前，我国要通过精确测量小行星的运行轨道，探测其物理特性、评估其撞击地球的潜在威胁，并对小行星的形状大小、表面形态、物质成分等基本信息进行综合分析。

　　第三，在对木星系统的探测中，我们主要以环绕探测方式，重点对木星的磁层结构、木卫的大气和冰层、行星际空间环境等进行探测，并进行地球生命的地外生存演化特性的观测。

　　展望2050年的深空探测目标，他说，我们要增加对金星、彗星、太阳系其他未知探测对象和未知领域的研究。未来，行星科学和天体物理学的深入融合、理论与方法的突破、探测手段的创新，都将为我们实现“认识”和“利用”太空资源的目标奠定更加坚实的基础。

月球资源的开发利用是未来探月工程的核心命题

　　“月球探测从1958年到现在，经历了将近60年的发展，应该说是我们所能探测的最详细的一个星球了。”中国空间技术研究院月球与深空探测领域办研究员、嫦娥四号探测器系统执行总监兼副总设计师张熇认为，未来月球探测发展的主要目标是月球资源的开发和利用，以服务于人类文明的可持续发展。

　　月球是世界各航天大国进行深空探测的首选目标。从20世纪90年代开始，除美国、俄罗斯外，欧洲、日本、印度也加入了月球探测的行列，英国、韩国等国家也跃跃欲试，纷纷提出自己的月球探测规划。张熇指出，“中国的探月历程并不单薄！”

　　以嫦娥工程为例，“嫦娥一号”和“嫦娥二号”已经对月球表面的三维影像、表面元素含量和物质类型成分、月壤特性以及地月空间环境进行了有效的探测，取得了突破性的科学成果，极大地深化了人类对月球的认识。据介绍，预计将于2017年年底发射的“嫦娥五号”探测器，将在发射成功后自动完成月面岩石的采集，并从月球起飞返回地球。

　　目前，我国已经掌握了月球探测的基本技术，具备了月球探测的环绕、着陆、巡视、返回等基本能力，包括探测器系统设计、地月转移和月球捕获、软着陆自主制导导航和控制、复杂推进系统和变推力大发动机、着陆缓冲、月面自动巡视与遥操作控制、核热源加两相流体回路的新型热控、近第二宇宙速度高速再入大气层以及小行星飞掠等技术，并形成了较为完善的设计、研制和验证方法。

　　张熇认为，下一步，我们还要在月球科学的深入细致研究、全月面到达和适应复杂月面着陆的能力、适应月面复杂地形的大范围巡视能力、月面长期连续工作能力、月球资源就地开发利用能力、月面智能化操作能力以及月面特珠区域的探测能力等方面努力提升。

　　在更远的未来，月球探测的远景又是什么呢？张熇指出，在掌握了多种形式的月球探测技术后，月球探测已经从“以科学与工程技术为重点”转变为“以科学研究与资源应用为重点”。未来二十年，各国的月球探测必将围绕资源推进，突破月球资源的探查、获取和利用技术，为建设月球资源综合利用设施奠定基础。

　　尤其值得注意的是，月球的信息资源、物质资源、环境资源和位置资源，对未来深空探测的进行都有着极其深远的影响。因此，张熇提出要以“勘”“研”“用”为核心步骤，分步实施，深化细化月球科学和资源探测战果，逐步突破各项关键技术，不断提升科研能力。

　　关于具体的技术途径，张熇着重阐明了科研站选址、全月面到达、长时间月面工作、月面自主操作、先进载荷、适应复杂环境的月面移动、月面能源供给以及月球核反应堆等技术的重要意义和发展前景。

　　“我们对月球的研究还很粗浅，月球的宝贵价值还远没有被认识与开发利用！”张熇在结束语中说，“以资源开发利用为远期目标，不断提升对月球的认识深度和开发利用能力，促进载人和其它深空探测技术的发展，是科学合理的途径。相信月球一定会给我们带来更多惊喜!”

探索深空奥秘需要面对三大挑战

　　从40万公里到4亿公里乃至40亿公里，中国的深空探测正在加速迈向更为深邃的宇宙，这对我国深空测控技术提出了什么样的新挑战？北京跟踪与通信技术研究所所长董光亮研究员认为，未来的深空测控技术必须满足更远距离的测控通信需求、更高的导航精度需求和更长的操作任务管理需求。

　　在深空探测系统的建设和发展方面，中国虽然起步较晚，但发展很快。他介绍，中国的深空探测系统是伴随着“探月工程”的“绕、落、回”三步走战略逐步建立和发展起来的，每一步走，中国都取得了巨大的标志性突破和进步。在探月工程一期，突破了远距离测控技术；在探月工程二期，初步建成了深空测控网；在探月工程三期，形成了相对完备的深空测控能力。

　　其中，探月工程一期，中国航天测控作用距离从8万公里延长到40万公里，将射电天文观测网引入测控系统，带动了一批深空测控技术攻关，形成了深空测控技术发展的完整思路。探月工程二期，中国建设了佳木斯和喀什的深空站，2012年首次应用深空测控网，测控距离700万公里、最远达2000万公里，初步建成深空测控网，航天测控能力延伸到距地球200万公里以远的深空，我国也成为继美俄欧之后具备独立深空测控能力的国家。探月工程三期，中国在阿根廷新建了南美深空测控站，构建了月球和深空任务采样返回测控走廊。

　　按照未来深空探测发展规划路线图，中国在2030年前将以火星探测为重点和主线，按照“一步实现绕着巡，二步完成取样回”的发展路线，2020年实施首次火星探测任务，2028年实施火星取样返回探测任务；2022年将实施小行星探测任务，2029年将实施木星系及行星际穿越探测任务。

　　董光亮认为，要完成这些宏伟蓝图，必须面对三大挑战：首先，必须面对40亿公里甚至更远距离的测控通信任务；其次，必须面对小行星探测任务的交会、绕飞、附着和采样，火星轨道交会，木星探测交会和环绕，天王星飞越探测等任务对更高导航精度的需求；再次，必须面对10年乃至20年的长周期探测任务操作管理需求（如小行星探测任务周期为10年、木星探测任务周期为17年）。

　　据介绍，目前我国在下行天线组阵技术、上行天线组阵技术、大功率发射技术等远距离测控通信技术方面，在相位参考干涉测量技术、GNSS月球任务支持技术、火星任务接近段导航技术等高精度的导航技术方面，都取得了巨大的进步。

　　他建议，在大天线方面，中国尤其要着力发挥综合效益。目前中国已建成深空测控网、航天测控网子网、射电天文观测网、地面应用系统数据接收网、大地测量网等，后续还将建设天线阵等。

　　“下一步的努力方向，我们应该发挥好大天线的综合效益，综合利用国内大口径天线广域组阵，形成最大接受能力。”他说，把喀什、乌鲁木齐、密云、佳木斯、昆明、上海、武清等地的几十米口径的天线综合利用，就可以形成160米口径的等效天线。

　　如果把国内大口径天线进行多基线组合，还可以形成更强的相位参考测量能力。他设想提出，我国应建设大天线联盟，发挥国家资源最大效益，为未来的深空探测、射电天文科学、大地测量科学等提供有力支撑。

深空智能技术，势必先行！

　　“深空智能技术，势必先行！”上海卫星工程研究所所长、973首席科学家张伟在题为《深空智能机器人》的报告中，开宗明义地提出了必须高度重视深空智能技术研发的观点。他认为，智能技术与新兴动力、新型能源、新型材料一起，都是深空探测核心技术突破的重要组成部分。“深空智能机器人”是深空探测关键技术的重中之重。人类越是走向深邃的宇宙，就越是需要智能化技术的支撑。

　　在比较美国的“火星移民计划”和我国的“火星绿色家园工程”时，他认为，“相较于美国‘火星移民计划’的直接载人移民，中国的‘火星绿色家园计划’提出以‘智能机器人先行’，这个方案的风险小、成本低、技术上更加合理可行，符合中国国情。”

　　在人类还未踏上火星之前，智能机器人可以“打前站”，帮助人类完成环境感知（如地形地貌、大气成分、土壤成分、水体分布和风场等）、环境改造（如植物栽培、打井取水、构建房屋、畜牧养殖、氧气制备等）、集群协作（如多功能、自适应、自主管理、自主学习、自主优化）等试验任务。

　　详细综述了学术界对人工智能研究的种种争鸣和困惑后，张伟对“人工智能”的技术本质进行深刻辨析，并深入探讨了人工智能技术在深空探测领域的四大重点发展方向，即寻找类人的感知与识别方法、开发具备自我学习能力的智能算法、研究高效的抽象思维处理技术和实现基于意识触发的人工智能。

　　深空探测智能技术首先要关注“智能感知与类人理解”。以火星探测机器人为例，张伟指出，视觉传感器，可以构建火星表面三维地图；听觉传感器可以建立火星风场流速模型；嗅觉传感器可以进行火星大气成分分析；味觉传感器可以识别火星土壤组成部分；触觉传感器可以测量火星空间温度情况。

　　其次，深空探测智能技术还要解决“智能决策与自主行为”(包括应用感知信息进行推理判断、根据判断结果进行任务规划、应用规划方案进行任务执行，根据执行结果生成改进方案)、“多体协作与群体智能”（完成包括植物栽培、打井取水、构建房屋、畜牧养殖、开拓边疆等任务）、“故障诊断与智能进化”（包括自身故障诊断、修复与重构，故障事件分析、总结与推演，通过训练学习实现智能进化）等前瞻性技术难题。

　　最后，张伟展示了上海市深空探测技术重点实验室和深空探测智能技术国际联合实验室近些年来取得的开创性科研成果，并介绍了上海卫星工程研究所和上海市深空探测技术重点实验室与电子科技大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、南京大学等国内合作单位之间的密切合作关系和研究成果。

　　“在‘探寻生命，走向深空’的旅途中，在‘深空智能机器人’的探索征程上，我们邀您一路同行！”张伟倡议说，探测深邃的宇宙，我们必须加强合作！