——设计师为本报独家讲解探月神器控制大脑

   “没想到,月球表面的尘埃比较浅，地形条件比我们预想的好许多。”
   “不是想象中的沙漠，更像是戈壁。”
   “也许过两月玉兔走进的地表有很大不同。”
　对刘波、宫经刚、孙越、党纪红这些航天502所年轻的主任、副主任设计师来说，作为我国自主设计制造的嫦娥三号巡视器“玉兔号”综合电子单元（玉兔上的计算机）和应用软件单元的主创研究员，看到玉兔号从月球传回的照片，难掩内心的激动和兴奋。
     2013年12月15日4时35分，中国首辆自主科技研发的月球车玉兔号，成功与“嫦娥三号”着陆器分离，顺利驶抵月球表面，在月球上留下了第一串“中国脚印”。12月17日，玉兔号多位设计师接受电脑报专访，揭开玉兔控制核心电子部件的秘密。
      在接受本报采访时，嫦娥三号巡视器综合电子单元主任设计师刘波感概地对记者表示，在他三十几年的人生里，月球上一直是安静的，世界上没有哪个国家在这几十年向月球派遣过“使者”，如今随着嫦娥三号的顺利软着陆，玉兔车在月球表面行走，月球进入了中国人探索的时代。
 

最紧张的是别摔坏了
　　　“最紧张的时候，是嫦娥三号在月球表面软着陆的那几分钟。”宫经刚说。他的身份是嫦娥三号巡视器综合电子单元副主任设计师。
　　　 要知道，在玉兔号到来之前，月球已经有37年未曾见过地球访客了。更重要的是，距月面15公里的地方下降，相对速度从比超音速飞机还要快几倍的1.7千米每秒下降到0，实在惊心动魄。
　　 人类探月一般遵循“探”“登”“驻”三大步。中国探月工程将第一大步“探月”细分为三期——即“绕”“落”“回”三小步。嫦娥一号卫星（2007年发射）圆满完成了一期“绕月”使命。探月二期的任务是实现月球软着陆和自动巡视勘查，包括嫦娥二号（2010年发射）、三号、四号3次任务。
　　嫦娥三号是中国航天领域迄今最复杂、难度最大的任务之一，嫦娥三号将要实施第二步“落月”，即在月球表面软着陆。“嫦娥三号探测器分两部分，由着陆器和巡视器组成，将首次实现我国航天器地外天体软着陆。”
　　  至今为止，世界上发射并成功运行的月球车有5辆，其中两辆是无人探测月球车，均是苏联在上世纪70年代发射的月球车1号和2号，三辆是有人驾驶的月球车，是美国阿波罗15号、16号、17号的月球车。
　　 但是，无人月球车难度更大，因为上面有很多仪器，要保证在无人的状态下行驶，仪器能正常工作，有人驾驶的月球车主要作为一个交通工具，扩大航天员在月球上的活动范围，上面基本没有什么仪器，由航天员驾驶行驶起来也相对容易一些。
　　  中国的玉兔号月球车是无人驾驶月球车，质量约140公斤，在发射收拢状态，仅为1.5米×1米×1.1米大小。“玉兔”这个名字为全球征名而得，“传说中，当年嫦娥怀抱玉兔奔月，玉兔善良、纯洁、敏捷的形象与月球车的构造、使命既形似又神似。”
　　  1998年开始，航天502所就开始了月球车的虚拟研究。此后，全国有20多所高校和科研单位投入到开发月球车的行列中。2005年开始，“嫦娥工程”月球应用科学首席科学家对媒体披露，航天部门已经出台了“嫦娥工程”用月球车的技术参数和需要完成的科研任务，将在全国竞争、择优录用。
　　 月球车的研制涉及到材料、机械、控制、车载传感器等多方面的技术，同时月球车要在月球的高温差、高辐射、地形多变的环境下工作。围绕中国第一个软着陆器即将登陆月面的目标，月球车成为研究热点，包括北京航空航天大学、清华大学、哈尔滨工业大学、中国科大、复旦大学、上海交大等高校和科研单位均瞄准月球车项目，进行了先期的方案设计和研制，共出了10余个月球车方案。
　　最终，刘波所在的航天五院的方案胜出，其他的都没有入选——航天集团502所设计出的6轮摇臂式月球车，能够更好地适应月球复杂环境，在设计中减少布线、优化控制性能，将轮系的电机、驱动、通信、数据采集与处理等全部集中在了轮部，形成一体化轮系，实现软硬件的模块化。
　　　软着陆的控制程序是航天502所重要任务之一，如果不成功，想象一下把计算机从几百米的高度扔下会是什么样的结果，计算机若摔坏了，后续的探测任务根本无从谈起。
　　　嫦娥三号着陆的区域在月球北纬41度的位置，前苏联和美国的探月行动是在月球赤道附近，可以说嫦娥进入的是“无人区”。着陆地形究竟如何，大家心里很紧张。
　　　着陆过程分两步，距月球表面500米时，拍摄一张分辨率不是太高的照片，看下方落地点是否平坦。距月100米时，嫦娥三号悬停并再次拍照，这次的拍照分辨率很高，着陆器根据计算机处理结果进行精确避障并进行机动，找到一个更平坦的位置，嫦娥三号顺利软着陆。
　　　“这个过程就几分钟时间，没办法人工干预，都是电脑程序自动完成的。”刘波说，软着陆后，嫦娥三号背上的玉兔车计算机开启并接收地面指令，控制玉兔车行驶到月球表面，迈出中国造月球车在月面上的第一步。
　　 
　　玉兔在月球表面计算着行走
　　
　　“玉兔车可以看成是一个智能机器人，也可以说是智能车。”刘波对本报记者称，与地球上智能车不同的是它的性能还不够强悍，没有地球上智能车那样可以得到地图导航以及网络信息服务，它的优势在于不用考虑旁边还有车辆通行，只需看地形判断规划路径，唯我独霸一方。
　　 嫦娥三号探测器总指挥张廷新这样介绍玉兔号月球车：要承担月面勘查的任务，科研人员就设计了多双“眼睛”，包括全景相机、导航相机、避障相机等；为了“看”得更远，就设计了桅杆，上面还安装了与地面联系的通信天线；为了探测月壤成分，就在车上安装了机械臂。
     据介绍，作为一辆六轮全驱的月球车，月球车的核心部件就是综合电子系统，相当于人的“大脑”。制导导航系统相当于是“五官”，热控起到调节“体温”的作用，机械臂是“胳膊”，轮子是“脚”，结构与机构是“骨骼”。
      综合电子系统正是刘波、宫经刚、孙越、党纪红这些航天502所年轻的主任、副主任设计师的艰巨任务之一。在玉兔号的研发中，航天502所负责三大块：陆器的制导导航控制(GNC)、巡视器的综合电子系统以及巡视器的GNC控制。
     502所传统的优势技术就是GNC。不过，综合电子分系统是从玉兔号开始才有的,以前的月球车里没有这个。刘波称，以前做GNC要单独一台电脑,图像载荷应用要有一台计算机,数据管理有一个计算机，但现在综合电子系统把这些计算机都拿过来集成在一起,做成一台更强性能的计算机把电路板芯片化,放在一个机箱里。
　　　 所有拍照控制、地形检测、数据传输、行走控制都是玉兔计算机的份内事。玉兔的计算机隐藏在肚子里，比微波炉还要小不少，人物要求玉兔的计算机在重量上要按克计较，因此计算机性能和体积、重量、功耗等都是多方面平衡的结果。
　　　
　　　从月球车的照片上可以看到玉兔头顶和肚子上分别有两组用来看路和躲避障碍的相机，分别拍摄前方较远和较近距离的地形立体照片。玉兔配备了我国第一台月球双目视觉在轨三维恢复系统。
　　　
　　　据刘波介绍，月球车拥有了双目视觉在轨三维恢复系统就相当于人拥有了眼睛，它可以把通过相当于双眼的两个镜头“看”到的二维地形信息经过一系列处理与运算恢复成三维坐标信息，这样月球车就能够知道前方有没有障碍，进而自行作出所需的“决策”。拍摄的照片会存储在硬盘里，综合电子系统会分析地形并计算规划前进路径。


　　　玉兔月球车的行走靠的就是移动系统，由6个车轮、6个行进驱动机构、4个转向驱动机构、左右摇臂悬架和差动机构等组成。可以非常灵活实现360度原地转身，即时遇到狭窄的通道也可以便捷掉头离开。为保证月球车的稳定性，科研人员在车轮棘爪上下足工夫，使车轮棘爪与导轨悬梯上的棘齿咬合，使得两器分离导轨释放过程中车轮零转速，月球车稳稳地停在导轨上。
　　　
     不过，“玉兔号”不会在月球上蹦着走，也不会快步走，而是走走停停，看起来很“悠闲”，其实是谨慎，因为玉兔每一步都是计算好了才走的。


　　　“玉兔每前进一小段距离都需要进行几亿次的循环计算，每次约花费几分钟才能算出行走路径。”玉兔自主规划前行后，会把头顶的天线对准地球，将硬盘里存储的照片直接传回地面或通过嫦娥三号着陆器中继传回地面。


　　　玉兔自主规划前行后，才会把头顶的天线对准地球，将硬盘里存储的照片传回地面。着陆器从玉兔离开后，其主要使命已经完成，后续则担当玉兔的数据中继备份设备。
　　

 

“6条狗”负责唤醒玉兔

     12月17日下午，当记者在航天502见到综合电子分系统应用软件副主任设计师党纪红时，他对记者说现在还睡不好觉，因为玉兔车上设计的功能仅有十分之一得到展示和检验。
　　比如，玉兔上还有支“胳膊”没伸开去抓取东西；玉兔的自主关机与唤醒，还有二十几天才能见到结果。因此，在与记者交流之后，他就匆匆赶回实验室——有好些月球上传回的照片等着他处理。
　　众所周知，月球绕地球转一圈需要28天多，月球自转也是28天。这意味着，月球上的一昼夜相当于地球上的28天。这意味着，月球的一个昼夜相当于地球上的28天，及白天14天，晚上14天。嫦娥三号着落在月球的时间大约是地球上的早晨8、9点钟，就是说玉兔车将在月球上连续工作十几个地球日。
　　按照计划，玉兔车就将在月球上连续工作3个月的地球日，那么玉兔号如何熬过月球上漫漫长夜？
　　　为此，科研人员为“玉兔号”精心设计了休眠模式——14天工作，14天“睡觉”。按照设计，玉兔车的能源主要是太阳能，当月球进入夜晚，因为缺少能源玉兔将关闭自身的绝大多数功能，玉兔上的计算机也会在关掉各种仪器设备后，自我关闭。
　　　在玉兔休眠的14天里，玉兔依靠体内的核能维持整车处于一个基本的温度范围内，保证计算机系统元器件的完好。白天有光照时，综合电子计算机就可以对整器进行热控管理，保证玉兔工作在一个合理的温度范围。
　　　计算机自动关机好理解，不过，当又一个月球白天来临时，谁来打开月球上的计算机？
　　　“那就靠我们设计的6条狗电路来担当唤醒任务了。”刘波形象地把月球车计算机的唤醒机制称为闹钟狗。“狗电路闹钟定时器非常重要，利用电压变化触动计算机开机开关”。
　　　 更通俗的解释是，就是狗电路会实时监视传输到自身的电压，随着月球上白天来临，太阳越升越高，电压会持续升高，当太阳升高到某个角度时，电压就会达到某一个阈值，这条“狗”就会通知玉兔醒来，并顺序打开相应的计算机、摄像头等设备，玉兔便又可以行走、拍照，往“家乡”地球发回图片了。
　　　玉兔车上有两台一模一样的计算机，如果主机坏了，狗电路将唤醒备份计算机。6条狗里面，其中3条狗是主角，另外3条狗是备份狗，每只狗负责唤醒一部分功能。该计算机有几个最，国内运行频率最快，存储器容量最大，功能集成度最高的宇航计算机；该设计处于国内领先地位，达到了同类产品国际先进水平。


   操作系统再次突破
　　　 本报曾报道过我国第一代星载计算机操作系统产品Space OS，其升级版Space OS2首次应用便安装在了玉兔的计算机上，因为玉兔的计算机需要在任务调度和内存管理方面有更好的表现，第一代产品不能满足月球车的任务要求，SpaceOS2可以同时管理几十个任务，同原来的几个任务相比，该系统的能力有了数量级的提升。
　　  月球车在月面行走时，要携带一个大容量硬盘，一边不停地拍摄月面环境，一边快速保存和处理这些信息。如前进路上遇到一个坑，调度操作系统就必须在最短的时间内作出判断并反应，否则就有可能掉进坑里。
　　 “我们设计的内存管理方法和调度方法，从功能、效率上来讲，已经可以和国际上最先进的类似产品相媲美。”作为一个女研究员，嫦娥三号巡视器综合电子单元副主任设计师孙越主要负责SPACE OS2操作系统。
　　　 现在，中国航天科技集团五院502所操作系统设计团队正在进行Space OS3的研发工作，是第三代星载计算机操作系统产品，功能将更加强大，技术更加前沿。他们将要攻克的是形式化验证，即从建模和证明的角度来验证设计领域软硬件的正确性，如果这一技术得以突破，将改变航天目前通过大量测试来验证设计正确性的方法，从根本上确保设计的无差错和高可靠。
    从2004年4月嫦娥一号卫星研制工作算起，近十年的时间，设计们终于把玉兔养成，并把它送上38万公里外的月球。从此，无论月圆月缺，代表成功的玉兔成了设计师永久的牵挂。
　　
　　
  对话：星载计算机从PC变“白富美”
　　电脑报：玉兔号是月球车第一次采用综合电子系统，这个系统的诞生主要得益于哪些科技的进步？
　　　宫经刚：设计人员认为是玉兔在小巧方面的要求推动了巡视器综合电子系统的诞生。
　　　为了完成月球车在月球表面的移动与科学探测，月球车有GNC（制导、导航与控制）、有效载荷、数管、机构、测控等多个业务系统。原来传统航天器每个业务系统都有自己独立的计算机，由于嫦娥三号只能承载小“玉兔”，否则重量、体积、功耗受不了，所以玉兔多个业务系统的计算机首次综合到一起，“玉兔”计算机——综合电子单元也因此应运而生。
　　　电脑报：和以往的月球车相比，采用综合电子系统的意义何在？
　　　作为月球车的核心产品之一，综合电子分系统是许多专业技术的综合，也是我国航天器电子产品研制道路上许多个第一次的综合：第一次实现了航天器数据管理计算机、载荷计算机和导航制导控制计算的综合集成；第一次完成了姿态导航、数据管理、移动规划的集成控制并轻小型化；第一次在空间计算机领域性能达到国际先进水平并实现了综合电子软硬件地面集成测试与验证的方法；第一次实现在轨应用软件可全部更新；等等。
　　
　　电脑报：相比以前的月球车，玉兔号上的计算机有什么不同？
　　宫经刚：玉兔上的计算机可在轨休眠与唤醒也是第一次，我们以前研制的卫星或飞船上的计算机都是按照15年持续运行的要求设计的。因为有了综合电子系统，玉兔的计算机立即“白富美”了，成了空间计算机中的PAD，集成了，小巧了，智能了，人性化了。
　　　但小PAD却有大本事，外设访问速度提高了3倍，存储容量提高了40倍，运算处理能力提高10倍，但单个计算机主机却只有400多克，功耗不足5瓦。
　　刘波：我最津津乐道的是，综合电子系统将引领后继的星载电脑更新换代的潮流。比如说，遇到大问题还可以直接刷BIOS。这会给航天技术带来不可想象的好处。
　　电脑报：从零起步，你们花了整整10年才将玉兔号送上了月球地面。这中间经历了哪些困难？
　　刘波：科技研发不可能没有困难，但我们一般很少提困难，也是我们应该去付出和坚守的。要说到具体的苦难，比如为了规避处理器中的BUG，设计师对玉兔计算机80多万个指令组合进行测试，规避了几十个指令组合缺陷和多个处理器设计缺陷；为了查找一个10行代码中的丢数错误，一个团队连续熬了三个通宵，一个星期才解决问题；外场测试时，选择了在一个荒无人烟的沙漠。综合电子分系统随玉兔在严酷的风沙环境中，利用一个月的时间完成了几公里的“越野”，设计师们也与世隔绝一个月......
    
 
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■玉兔踏月时间表
12月14日：21时11分嫦娥三号成功着陆月球虹湾以东区域，随即按计划开展着陆器与巡视器分离各项准备工作。
12月14日：23时45分地面人员向嫦娥三号发送指令，两器分离开始。嫦娥三号着陆器太阳翼展开，玉兔号巡视器立于着陆器顶部，展开太阳翼，伸出桅杆。
15日：3时10分巡视器开始向转移机构缓慢移动。转移机构的主要部分是两根悬梯导轨。
4时06分巡视器移动到位，转移机构正常解锁，轻轻展开、降落，在着陆器与月面之间搭起了一架斜梯。巡视器沿着斜梯款步而下。
4时35分巡视器踏上月球，在月面印出一道深深的痕迹。着陆器监视相机完整记录下这一过程，并及时将成像数据传回地面。 




“玉兔号”月球车8个分系统
移动分系统：采用轮式、摇臂悬架方案，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障能力；
导航控制分系统：携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动、监测安全；
电源分系统：由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成，利用太阳能为车上仪器和设备提供电源；
热控分系统：利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时舱内温度控制在+55℃～-20℃之间；
结构与机构分系统：由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成，主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台；
综合电子分系统：将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化，采用实时操作系统，实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能；
测控数传分系统：保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆器之间的通信；
有效载荷分系统：月球车配备的科学探测仪器，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。


月球车发展
月球车，学名“月面巡视探测器”，是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。
世界首台无人驾驶月球车:1970年11月17日，世界上第一台无人驾驶的月球车由前苏联发射的月球17号探测器送上月球。在月面“雨海”地区着陆后，它行驶了10.5公里，进行了10个半月的科学探测，考察了8万平方米的月面，直至携带的能源耗尽，于1971年10月4日停止工作。
世界首台有人驾驶月球车:1971年7月31日，“阿波罗15号”登上月球“雨海”地区的第二天，宇航员斯科特和欧文进行了航天史上首次有人驾驶的月球车行驶。两名宇航员驾驶4轮月球车，在崎岖不平的月球表面行驶了27.9公里，收集了77公斤月岩样品，之后返回登月舱。