香港理工大学跨学科专家，为国家首个火星探测任务做贡献

近日，国家首个火星探测任务“天问一号”成功降落在预选着陆区——乌托邦平原；“天问一号”成功着陆的背后，离不开高校科研工作者的付出与贡献。其中，理大两支跨学科研究团队凭借多年来在航天科研领域积累的丰富经验和卓越成果，与中国空间技术研究院合作，在“天问一号”任务中发挥了重要作用：吴波教授团队通过创新的地形测量及地貌分析方法，协助“天问一号”选取火星着陆点；容启亮教授团队则研发了精密的太空仪器“落火状态监视相机”(“火星相机”)，在“天问一号”成功着陆后拍摄火星的周遭环境与火星车的状况。

吴波教授(左)与容启亮教授(右)

“天问一号”探测器由环绕器、着陆器和巡视器(又名“祝融”火星车)组成，目标是一次性完成“绕、落、巡”(即“环绕”、“着陆”和”巡视”)三大任务，这是世界航天史上的首次尝试，旨在获取有关火星的科学勘探数据。目前，“天问一号”已完成火星轨道环绕与著陆任务，“祝融”火星车正侍机展开火星巡视及勘探工作。

(左起) 理大工业中心副总监谭惠民博士、理大常务及学务副校长黄永德教授、理大工业及系统工程学系容启亮教授、理大土地测量及地理资讯学系吴波教授、香港特区政府创新及科技局局长薛永恒先生、理大校董会主席林大辉博士、理大校长滕锦光教授、理大行政副校长卢丽华博士出席理大新闻发布会

理大校董会主席林大辉博士祝贺“天问一号”成功着陆火星，他表示：“国家在深空探测方面的成就令人振奋，过去无论是月球探索还是月壤采样返回任务均取得圆满成功；本次国家的航天任务更是跨越星际、首次探索火星，进一步证明了中国的航天实力。理大科研人员参与火星探测任务并在其中发挥关键作用，这一成绩让我们备受鼓舞。理大科学家将继续以非凡的创造力、毅力和创新思维，参与不同领域的科研任务，以为人类的福祉贡献力量。”

理大校董会主席林大辉博士

香港特区政府创新及科技局局长薛永恒表示：“我衷心恭贺国家首次火星探测任务成功着陆。基础研究是香港本地大学的强项，理大以其科创实力，再次获邀参与国家重要航天任务，这充分展示了香港科研实力雄厚、卧虎藏龙，是国家科技建设的一支重要力量，并能为国家级‘大科学’项目作出贡献。我深信本地的大学可通过与内地机构进行科研协作，发挥协同效应、优势互补。”

香港特区政府创新及科技局局长薛永恒

理大校长滕锦光教授表示：“我们衷心感谢国家对理大的信任，邀请两位教授参与国家的火星探测任务。理大有机会再次为国家重大航天科技项目做贡献，我们深感自豪。基于理大在航天科技领域已经取得的成绩，我们决定加大对该领域的支持力度。最近，理大已成立由容启亮教授领导的‘深空探测研究中心’，汇聚来自地质学、土木工程、机械工程、物理学等多个领域的专家，从不同方向对航天科技展开深入研究。我们也衷心祝愿‘天问一号’任务取得圆满成功，加深世界对这个‘红色星球’的了解。”

理大校长滕锦光教授

理大在“天问一号”火星探测任务中主攻的两个项目分别是：

01

火星着陆区测量和评估

登陆火星是一项极具挑战性的任务。火星表面地形复杂、大气层稀薄、沙尘暴频发，加之火星与地球间的通讯有约5至20分钟的延迟，这些情况皆增加了登陆火星的难度。因此，为“天问一号”选择一个安全且具有科学价值的著陆点至关重要。

2017至2020年，理大土地测量及地理资讯学系吴波教授应中国空间技术研究院的邀请，率领团队对火星全球进行了分析、评估并筛选出位于亚马逊平原、克里斯平原和乌托邦平原的三个候选着陆区。这些候选着陆区均地处火星北纬5°-30°范围内，太阳日照充足、有助太阳能电池板供电，温度适中。此外，它们都位处低海拔平坦地带，既可以延长探测器降落过程中减速的时间，也有利于探测器安全着陆。

其后，理大团队进一步对候选着陆区进行了详细的地形及地貌特征分析，包括海拔、坡度、岩石密度、撞击坑密度以及该区域的地质历史。综合研究结果，火星北半球最大的撞击盆地乌托邦平原南部区域获选为“天问一号”的目标着陆区。乌托邦平原的某些特征，如表面上广泛存在的沉积物，显示这个区域地下可能存在水冰，因此具有重大的科学意义，有助于找出火星是否曾有生命的线索、了解火星的演化历史。

“天问一号”自2021年2月10日进入环火轨道后，已收集了大量覆盖目标着陆区的亚米级高清图像并传回地球。本次任务的目标着陆区面积达70公里×180公里，是整个香港面积的11倍。吴波教授及其团队利用自主研发的“三维集成测量模型”，将“天问一号”传回的高清图像制作成高精确度、高清晰度的三维数字地形模型，进而对着陆区地形特征进行更为详尽的分析，识别可能影响探测器着陆安全的大型斜坡。

为了帮助“天问一号”在火星上安全着陆和巡视，吴波教授及其团队还研发了“基于人工智能的撞击坑、石块提取方法”。该方法能在短时间内从高清图像中自动提取撞击坑和石块等地貌特征，以作更精确的分析。吴教授说：“我们利用这项人工智能技术，在一个半月内分析了分布在目标着陆区内的67万个陨石坑、200多万块岩石、数百个火山锥，不仅高效，准确率更达到了85%。”团队根据地形和地貌的详细测量结果，成功搜索出数个可能的著陆点，供“天问一号”任务管理团队作最终抉择。

吴教授十分荣幸能够参与国家的火星探测任务，并贡献力量。他说：“‘天问一号’火星探测任务是一个庞大的工程，是成千上万人的努力成果，我们只是其中的一颗‘螺丝钉’。过去几个月里，我的每一位团队成员都为了这个项目全力以赴，日以继夜地工作、精益求精，没有因为时间紧迫而对准确度和工作中的细节让步，最终我们在有限的时间内完成了任务。”

02

“落火状态监视相机”(“火星相机”)

理大工业及系统工程学系钟士元爵士精密工程教授、精密工程讲座教授及副系主任容启亮教授在精密太空仪器研发方面具有丰富经验。容教授自2017年起便率队就“火星相机”进行研究、设计与制造。凭借全体人员的不懈努力和大学的支持，该团队仅用不到三年的时间便成功研制、交付了火星相机，并通过了多项相关的太空验证。

落火状态监视相机(“火星相机”)

理大研发的“火星相机”搭载于着陆器外层平台上，其作用是监视着陆情况、火星的周遭环境以及降落火星后巡视器“祝融”的操作状态，包括太阳翼的打开及天线的状况。这些信息对于掌握巡视器能否在火星表面成功巡视至关重要。

“火星相机”重量轻巧(约390克)，然而外壳却十分坚固，能抵御穿梭在地球与火星之间的极端温差(约摄氏150度)，并能在火星表面极低温的环境下运作、承受相当于地球地心吸力6,200倍的冲击。此外，“火星相机”还具备广阔的测量视野(水平视野范围达120度，对角线视野范围达170度)，同时能显著降低图像变形的程度。

容教授解释：“为了拍摄超广阔的图像和影片作科学研究之用，‘火星相机’须轻巧并具备广角拍摄能力和可控的影像变形程度，还要以有限的重量抵御极大的冲击力。此外，相机须在长时间的太空旅程中克服极端温差、辐射、机械振动等挑战，最后仍要保持十分高的稳定性。”

容教授对于理大研发的“火星相机”能在地球前往火星的长途旅程中保持完好，感到如释重负。“得悉‘天问一号”成功着陆火星，我和我的团队感到非常兴奋。从国家航天局日前公布的图片中，我很高兴看到我们的‘火星相机’状态良好。期待理大的‘火星相机’拍摄到火星的壮丽景色和火星车打开、运行的情况。”容教授说。