教学参考-42

教学目标

• 了解人类对太空探索的历史
• 了解人工智能在嫦娥五号自动选择落点和自动对接过程中所起的作用
• 了解人工智能在天宫一号火星探索飞船自动光学导航中的作用
• 引导学生讨论人工智能在人类太空探索过程中的重要意义

教学内容

“嫦娥”奔月

• 2020年12月17号，嫦娥五号月球探测器携带从月球采集回来的2千克月壤胜利返航，23天的太空之旅完美落幕。与前几位“嫦娥”相比，嫦娥五号的任务要复杂的多，她不仅要飞临月表，还要实地降落和采集月壤。
• 科学家们设计了一个糖葫芦结构，把上升器、着陆器、轨道器和返回器四部分串起来。飞临月表时，放出上升器和着陆器在月表着陆，完成采集任务后再由上升器将月壤样品运送到飞船主体，返回地球。

AI帮助嫦娥登月

• 探月中一个棘手的问题是信号延迟。我们知道地球到月球的距离是38万公里，而信号的速度和光速是一样的，都是每秒30万公里。因此，信号从地球到月球间跑一趟要 1.3 秒。 这意味着当飞船接近月球时，就算地球的控制人员在收到信号后马上做出反应，其控制信息也要在事件发生后 2.6 秒才能到达。
• 信号延迟在登陆器着陆时会带来很大麻烦。虽然延迟只有2.6秒，因为降落速度过快，由地球的控制人员来操纵基本不可能。科学家们想到了人工智能，让登录器自主判断哪个地方最适合降落。按探月工程首席科学家欧阳自远的说法，“探测器十分聪慧，它始终在计算、挑剔，边走边找，最终做出判断和决策。”
• 另外，上升器携带样本返回时，需要和等候在月球轨道的主飞船进行对接。对接全过程要在21秒内完成，1秒捕获、10秒校正、10秒锁紧， 而且精度要求很高，稍有不慎就可能失之交臂或互相碰撞。这样精度高、速度快的对接，地面控制人员根本来不及反应，需要人工智能技术，基于微波雷达信号即时调整飞船的速度和姿态，实现自主捕获、自动对接。

飞向火星

• 人类很早就对火星充满了好奇，特别是对火星上可能存在的生命充满猜测。1960 年 10 月，前苏联连发射了首枚火星探测器“火星 1A 号”，只不过连火星轨道都没抵达就失联了。其后美国和苏联相继做了多次尝试，均以失败告终，直到1964年，美国 的“水手4号”探测器终于掠过火星，并向地球发回了火星照片。此后，不少国家相继发射了火星探测器，成功率大约为五成。
• 天问一号是我国首个火星探测器。2020年7月23日，“天问一号”踏上前往火星的旅程，历时202天，奔驰4.75亿公里之后，终于接近火星。2021年2月10日，大年腊月二十九晚上7点52分，天问一号成功实施火星捕获，正式进入火星轨道，成为火星的一颗卫星。 2021年5月15日7时18分，天问一号着陆巡视器成功着陆于火星乌托邦平原南部预选着陆区，中国首次火星探测任务取得圆满成功。
• 因为距离更远，火星探索中的信号诞迟现象更加严重（飞近火星时的延迟会达到10分钟）。不仅如此，当太阳、探测器、地球处于一条直线时，通信将中断，称为“日凌”现象。在天问一号火星探测任务中，受日凌现象影响，天问一号和地球的通信中断达30天。
• 为此，“天问一号”上配置了光学智能导航，通过对恒星背景和火星的高精度成像，可以分析出探测器自身的飞行姿态、位置与速度，从而实现对火星目标的自主导航。有了这一导航系统，探测器就跟无人驾驶汽车一样，就算没有地面信号，也可以自主飞向火星了。天问一号的飞行过程验证了这一导航系统的准确性，标志着我国成为世界上第二个掌握并在轨验证了火星光学自主导航技术的国家。