对话青岛科学家：让宇宙深空从“看不见”到“看得清”

让宇宙深空从“看不见”到“看得清”

——对话俄罗斯自然科学院院士、英国皇家学会工艺院院士、北京航天飞行控制中心特聘专家赵正旭

赵正旭。韩星 摄

赵正旭，俄罗斯自然科学院院士，英国皇家学会工艺院院士，享受国务院特殊津贴专家，北京航天飞行控制中心特聘专家，青岛理工大学教授。主要从事航天测控、空天信息工程、计算机科学与虚拟现实技术及应用等方面的研究，打造了具有完整自主知识产权的国内唯一航天测控实时三维可视化飞行控制与指挥系统。

采访赵正旭的时候，恰逢神舟二十号载人飞船发射。那天，在北京航天飞行控制中心的大厅里，一块大屏幕吸引着所有人的目光——上面显示着刚刚发射的神舟二十号载人飞船的姿态和进展。发射10分钟后，神舟二十号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，现场爆发了热烈的掌声。

看到这一幕，在青岛理工大学的山东省空间碎片监测与低轨卫星组网重点实验室里，赵正旭边鼓掌边露出欣慰的笑容。让航天器的姿态在发射过程中全程可视，得益于赵正旭率团队研发的航天测控实时三维可视化系统。这个系统就像一双“千里眼”，让原本隐没在黑暗深空的航天器轨迹，首次清晰地呈现在世人面前。

从机械工程到计算机科学，从英国的大学教授到中国航天测控专家，赵正旭带领团队开创了我国航天测控实时三维可视化技术的先河，从看不见到看得见、从跟跑到领跑，实现了从“看不见”到“看得清”的重大突破。现在，这套系统已经深度嵌入我国航空航天发射工程，近年来先后服务了50余次国家载人航天、探月工程及深空探测工程的实时可视化飞行控制与指挥任务。

对于今年已经65岁的赵正旭来说，还不到退休的时候。作为山东省空间碎片监测与低轨卫星组网重点实验室的首席科学家、高端装备数字孪生与可视化遥操作山东省工程研究中心等平台的学术带头人，他还要以国家需求为导向培育人才团队，在航天测控领域持续贡献力量。

赵正旭给学生讲解空间碎片监测预警。韩星 摄

从机械到计算机：面向国家需求开展交叉创新研究

记者：您最初学的是机械工程，后来转向计算机科学，这样的专业跨度很大。是什么促使您做出这样的转变？为什么选择了当时在国内尚未起步的计算机领域？

赵正旭：我本科和硕士都是在山东大学读的机械工程专业。1988年，被选拔为国家公派留学生，赴英国深造。当时国家有一个导向，就是鼓励我们学习国内相对薄弱的新兴学科。机械工程是我们国家的传统强项，已经有自己的体系，而计算机在当时的中国还比较落后。在英国时期，我的导师对计算机应用很感兴趣，他认为计算机在未来会有巨大发展潜力，建议我转向这个领域。现在看来，这个决定确实改变了我的研究轨迹。

记者：在英国求学期间，您用两年零两个月就拿到了博士学位，这在当时是非常罕见的。能分享一下这段经历吗？

赵正旭：倒不是因为我有特别的天分，而是那个年代我们都有一种紧迫感——国家送我们出来不容易，我们必须抓紧每分每秒学习。我到现在还记得，坐飞机到英国的时候，我穿着一双布鞋。国家一个月给每个人100英镑的生活补贴，按照国内的标准来看已经不低了。但当时，英国的最低生活标准是127英镑。

所以我非常珍惜出国学习的机会，一心想着抓紧成长。现在回忆起来，几乎把所有时间都投入到了研究中，经常凌晨4点以后睡觉。整个博士期间，我一共发表了15篇高质量论文，这为我后来在英国的发展奠定了基础。35岁的时候，我成为英国德比大学的正教授。这在当时从中国去留学的学者中并不多见。

出去的时候我就想着要学成回来报效祖国，一直在等一个合适的机会。2000年以后，我国航天事业进入快速发展期，急需计算机技术与航天工程的交叉人才，我觉得自己的专长能够为国家做点实事，就迅速回到了祖国。

“从0到1”的突破：开创我国航天可视化测控新时代

记者：英国2003年曾发起过一个名为“猎犬二号”的火星探测项目，这是欧洲航天局火星快车任务的一部分，也是英国首次主导的火星着陆器任务。但遗憾的是，该任务发射后并未按照计划完成火星着陆，探测器被宣布失踪。您是否了解该项目的情况？这对您后来从事航天测控有什么影响？

赵正旭：猎犬二号筹备的时候，我曾经作为外围人员参与过相关工作。事实上，直到2015年，NASA才通过火星勘测轨道飞行器发现了猎犬二号探测器的残骸，确认了项目失败的原因是太阳能板未能完全展开，遮挡了通讯天线导致失联。

这项任务的失败给了我很大触动。探测器发射后失踪的主要原因之一，就是地面控制人员无法实时掌握其状态和位置。这让我意识到，可视化测控技术在我们探测深空的过程中非常重要。也就是从那时候开始，我逐步开启了研究三维可视化技术的工作，利用业余时间开发相关软件，这为后来参与中国航天项目打下了基础。

记者：我们知道，飞船等航天器在太空中“遨游”，其距离超过了人肉眼可见的范围；但太空中又没有摄像机，地面控制人员如何能在第一时间看到飞船飞行实况，又如何知道它的飞行姿态、角度？我们现在在直播中看到的飞行、交会对接等画面来自哪里？

赵正旭：其实飞行器在深空运行过程中是有轨道的，但是我们通过数学算出来的理论轨道与实际运行轨道往往有误差，这就意味着飞行器在深空的姿态、角度、位置可能发生偏离。打个比方，我们开车需要一个导航画面，地面控制人员也需要看到飞行器的实时画面来调整其状态。

测控过程不透明，地面的人就无法实时“看”到深空的情况，既给处理突发紧急情况带来了难题，也不便于公众了解和媒体报道。同时，地面控制人员群体庞大、环节众多，每个环节的任务之间无法实现数据共享、技术共通，大部分人只能知道自己所负责环节的情况，无法了解其他环节的情况，环节链条之间的“脱节”也是个棘手的问题。我们急需一套能让所有人都“看得见、看得懂”的测控系统。

2008年，我牵头组建了创新团队，一头扎进了航天测控可视化技术攻关中。当时，国内航天测控可视化技术刚刚起步，技术和人才基础都非常薄弱。一方面，领域内的技术不成体系，也没有标准规范指引，更别说自主知识产权，我们要将碎片化的技术进行体系化整合；另一方面，多数成员从来没有接触过可视化技术，轨道根数、姿态四元数等航天术语对他们来说就像“天书”一样。

我记得那是个炎热的夏天，实验室处于扩建阶段，还在连接电缆，空调无法开放。夜晚相对凉快，工作效率也高，我们经常通宵做实验，在“桑拿天”里守着几台上千瓦的工作站夜以继日干了两个多月，“从0到1”，我国航天工程第一个三维可视化平台的原型系统就这样诞生了。

后来，团队不断完善这套系统，逐渐实现了将复杂的航天器轨道数据、姿态数据实时转化为直观的三维图像。在这个系统中，航天器上雷达、光学相机等实时传回的数据可以在0．1秒内得到“实时翻译”，并以画面的形式进行展示。自此，我国航天工程有了实时、直观的画面展示，不仅为地面控制人员进行操控指挥提供了决策支持，也让群众对“飞天”有了更直观的感受。值得一提的是，这套系统从软件到硬件都实现了自主可控，我国由此成为全球首个实现航天任务全程实时三维可视化测控的国家。

深度“嵌入”：在“问天之路”上提供了50余次任务护航

记者：现在，中国正深入探索浩瀚宇宙，发展航天事业，建设航天强国。在这条“问天之路”上，这个具有完整自主知识产权的航天测控可视化系统平台已经“嵌入”到我国航天发射技术体系中，通过实时数据驱动，实现了对陆、海、空、天基海量测控数据的精确实时处理与推送，实时展现航天器状态。您能不能给我们举个印象深刻的应用案例？

赵正旭：从神舟五号到如今的神舟二十号，从嫦娥二号到嫦娥六号，以及天问一号、天问二号，我们团队均全程参与了护航保障任务。在这个过程中，我们又“升级”出中国唯一航天装备数字孪生及可视化遥操作系统。目前，我们已累计承担国家载人航天工程、探月工程及火星探测任务等50余次实时可视化飞行控制与指挥任务，保障了国家航天工程系列任务的精准实施和圆满完成，实现了历次航天任务“零失误”。

比如，2010年10月1日，中国发射第二颗绕月人造卫星——嫦娥二号，为后续探月着陆任务提供了数据支持。按原来的技术水平，嫦娥二号需要在茫茫宇宙中变轨13次才能到达目标轨道。使用这套可视化系统后，仅变轨7次就进入了目标轨道，这为航天器节省了大量燃料。更值得一提的是，发射任务完成后，我们还利用剩余燃料将探测器送到了地月拉格朗日L2点，这是亚洲国家在全球首次实现这一壮举。这次任务的成功，也首次系统证实了可视化系统的可靠性。

再如，2021年5月30日5时01分，我国天舟二号货运飞船与空间站天和核心舱成功实现自主快速交会对接。空间交会对接是载人航天工程的三大基本技术之一，是实现空间站和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、航天员交换及营救等在轨服务的先决条件，复杂度高、精准度高，对自主性和安全性要求都极高，堪称“万里穿针”。此次天舟二号与天和核心舱的交会对接是我国在轨进行的第二次快速交会对接，实现自主入轨和交会对接，全程不需要人工干预。之所以对这样的重大工程也有“放手不管”的底气，是因为在地面的控制中心，三维实时航天可视化技术分秒不停地还原着飞船在太空的实时状态，确保对接过程“尽在掌握”，实现了每秒8公里速度下5毫米精度的对接。

记者：您提到嫦娥二号成功到达地月拉格朗日L2点，这在航天领域意味着什么？能否为我们科普一下这个特殊空间位置？要到达这个点有哪些技术难点？

赵正旭：拉格朗日点是天体力学中非常特殊的空间位置，由数学家拉格朗日发现并命名，是地球和月球引力平衡的特殊位置，探测器在那里能保持相对静止。找到这个点在数学计算上不难，但工程上实现非常困难。

在地球和月球系统中，存在五个这样的点（L1—L5），其中L2点位于地球和月球连线的延长线上，距月球约6．5万公里。探测器在这里可以保持相对地月的静止状态，就像被“钉”在太空中一样，只需很少燃料就能实现长期驻留。这是部署中继卫星的理想位置，可以为我们探测月球背面提供“接力”，可以说是深空探测的一块“跳板”。

将探测器送到L2点，轨道设计复杂、控制精度要求极高且测控难度大。我们创新性地设计了“面条轨道”——就像把一根面条弯曲成特定形状，让探测器沿着这条特殊轨道稳定到达目标点，为后续嫦娥四号月球背面探测打造了“中转站”。

“普适应用”：从航天测控到低空经济，助力青岛产业发展

记者：中国航天事业从无到有、从弱到强，一步一个脚印地走出了强国之路。面向未来，您如何看待商业航天等相关领域的发展前景？测控技术未来还能应用在哪些经济领域？

赵正旭：眼下，我们国家一方面鼓励民营资本进入商业航天领域，推动一批民营商业航天企业快速发展；另一方面，对于尖端的、短期内没有商业回报的领域，鼓励由国有企业、国有资本来推动发展。政府力量与市场机制充分结合，就会产生资源配置效益的最大化和效率的最优化。

此外，政策支持有利于构建健康、良性、富有活力的载人航天竞争发展新格局。现在国家不断加大政策牵引力度，地方政府也积极给予产业落地支持，技术、资本、人才等资源加速聚集，为中国的商业航天发展创造了良好的条件，未来商业航天必然会有更广阔的发展空间。

当前，青岛正大力发展的低空经济，也对测控技术提出了需求。比如，随着无人机的发展、对“空中出租车”的展望，未来城市低空交通管理等领域都需要类似的测控技术。我们正在与青岛相关部门探讨合作，希望将航天测控技术“降维”应用于低空领域，在技术上它们是有相通之处的。此外，在海洋监测、应急指挥、智慧城市建设、智能港口打造等方面，这套技术可以探索“普适化”应用和落地。

额外补充一下，我认为青岛发展低空经济有很好的产业基础和人才优势，这需要我们进一步做好三件事：一是建立统一的技术标准，二是完善政策法规，三是加强核心技术攻关。当然，这类技术突破和转化需要政府引导和支持，单靠高校或企业很难完成。

记者：您今年已经65岁了，已经为航空航天事业奋斗了大半生。未来，在团队建设、学科建设、人才培养等方面，您是否有进一步的计划？

赵正旭：科研是没有尽头的。建平台、汇资源、育人才，我们还有很多事情要做。青岛理工大学牵头建设的山东省空间碎片监测与低轨卫星组网重点实验室，联合东方航天港陆海空间（烟台）信息技术有限公司、山东纬横数据科技有限公司共同打造了一个创新平台，定位于服务国家载人航天、深空探测、空间碎片监测预警和低轨卫星组网等工程。

比如，对高速运行的航天器来说，哪怕是指甲盖大小的太空垃圾、空间碎片都有可能造成杀伤力。为了尽早发现、尽快预测、及时预警，我们实验室正在对太空10厘米以上的空间小碎片进行监测、编号。目前国外领先技术已经能够监测到10厘米以下的碎片，我们希望在这方面能有更大的突破。

青岛理工大学联合青岛数智孪生科技有限公司共建的高端装备数字孪生与可视化遥操作山东省工程研究中心，也正聚焦高端制造与新一代信息技术的融合，围绕数字孪生可视化与遥操作、装备数字润滑运维、装备智能监测与诊断等领域，开展关键技术理论攻关和具有完全自主知识产权的系统应用，助推智能制造技术的发展。

航天事业的发展离不开人才，尤其是青年人才。我还记得，当年参与嫦娥二号实时可视化飞行控制与指挥任务的团队，平均年龄是32岁。高校是培养人才的主战场，要不断打破传统的评价体系，给予他们充分的“试错安全感”，让他们敢于试错、敢于创新，为青年人才创造更多的成长机会。（青岛日报／观海新闻记者 耿婷婷）