一、遥操作在深空探测中的需求分析

对未知世界的探索，是人类永恒的追求；茫茫寰宇地外星空的召唤，更是人类无法抵挡的诱惑。从嫦娥落广寒到阿波罗登月，再到火星地下水的发现，人类千百年来的梦想正随着科技的进步逐一实现。探索更深更远更广阔的太空，已成为人类文明步伐的重要方向。

迄今为止，美国、苏联/俄罗斯、欧空局、日本、中国、印度均已开展了深空探测活动，其中月球探测约115次，火星探测44次。美国更是唯一实现载人登月并在深空探测领域处于绝对领先地位的国家。我国也已成功实施了3次月球探测，并计划于2020发射首颗火星探测卫星，为将来的火星实地探测铺路引航。

然而，目前深空探测的效率深受计算机、人工智能和机构等关键支撑技术发展的制约，能在太空环境中完全自主工作的机器人短期内还难以实现；而受太空生存环境的影响，完全依赖航天员现场执行任务，不仅有较大的安全风险，成本也将十分昂贵。因此，深空探测遥操作技术应运而生。采用遥操作技术完成探测任务，将人的智能与机器的自主相结合，在保证人类安全的前提下，充分利用机器人的精度和强度，不仅可以避免航天员在恶劣太空环境中作业时可能受到的伤害，还可以降低成本，提高空间探索活动的效率。

二、遥操作在深空探测中的应用现状

遥操作技术是一种达到人与被控对象之间远程交互的技术手段。遥操作的控制端在本地，其执行端在本地无法直接感知的远程空间某处。控制端和执行端的分离使得在深空探测任务中，人身处地球，便可实现太空探测设备的操控，在解决了人的太空生存难题的同时，也带来了控制延迟、环境感知等各种问题。

目前遥操作技术在空间活动中具有代表性的典型应用有：德国ROTEX空间机器人、美国“火星探测漫游者”的巡视器和中国“玉兔号”月面巡视器。

（一）德国 ROTEX 空间机器人

1993 年，德国在哥伦比亚航天飞机的密封实验舱中进行了空间机器人实验(SpaceRobot Technology Experiment, ROTEX)。ROTEX是一个6个自由度机器人，其末端装有刚性六维腕力传感器、柔性光学腕力传感器、4×8触觉传感器阵列、9个激光测距传感器和一对立体微型摄像机。

ROTEX既可以由航天员借助摄像机进行在轨遥操作，也可以由地面操作人员进行地面遥操作。它通过一颗数据中继卫星和一颗通信卫星实现通信回路，延迟大约为6s。借助于远端机器人操作环境预测和立体显示，地面控制中心的控制人员通过6自由度空间球对ROTEX进行了遥操作，成功地进行了栅格机构装配、轨道替换单元(ORU)的插拔和自由漂浮物体的抓握等多项遥操作实验，验证了大时延条件下地面空间遥操作的可行性。这是人类首次遥操作空间机器人在轨操作，为大时延下的空间遥操作研究奠定了实验基础。

（二）美国“火星探测漫游者”的巡视器

美国于2003年在“火星探测漫游者”探测器（MER）计划中，先后发射了“勇气号”（Spirit）和“机遇号”（Opportunity）火星巡视器，其主要采用长距离自主导航加遥操作的工作模式，以每个火星日为周期开展探测工作。

地面遥操作专家组基于火星巡视器前一天传回的图像和数据等信息，展开任务分析、制定科学战略、上传运动和仪器设备动作命令，用于当天火星日的任务；任务结束后，巡视器将获得的图像和数据传回地面。在任务执行中，主要采用人机结合的遥操作共享控制方式，人与机器的控制权重分配取决于具体的任务和地表地形。该方式实现了火星和地球之间超远距离、超大时延的遥操作，在深空探测遥操作领域具有里程碑意义。

（三）中国“玉兔号”月面巡视器

2013年12月，中国研制的“玉兔号”月面巡视器成功登陆月球，并采用地面遥操作与器上自主相结合的方式，开展了月面探测活动。

“玉兔号”巡视器携带有360°全景相机、红外成像光谱仪等多种探测仪器。其将获取的任务环境信息传回地球，地面控制中心利用环境数据和“玉兔号”状态信息恢复出巡视器周围的地形环境状况并构建遥现场，辅助地面控制人员对“玉兔号”的操作进行决策，形成相应的规划方案，并在地面仿真验证系统中对规划进行演示和验证，再将通过验证的控制指令上传至“玉兔号”。“玉兔号”根据控制指令，自主完成近距离障碍识别和局部路径规划，并利用携带的仪器进行科学探测。“玉兔号”探测任务的成功实施，展现了我国遥操作技术在月面探测中应用的有效性和成功性，对我国深空着陆探测的发展起到了积极的先导作用。

三、深空探测遥操作的特点及难点分析

深空探测中，遥操作控制端和执行端在空间上的隔离导致遥操作控制回路中不可避免地存在时延，航天器的智能程度也决定着人与机器在遥操作中的配合模式，深空探测中的各种不确定性因素亦将带来不可忽视的安全问题。因此遥操作任务主要面临的问题有：大时延、人机配合和航天器安全。

（一）时延补偿问题

时延的主要来源是遥操作控制回路中的信号传输时延、接收站或者中继卫星等设备间的数据处理时延及计算时延等，如地球轨道遥操作的回路时延大约为0.5~6s，月球遥操作中的回路时延一般在10s以上，而火星探测器的回路时延至少达到30min。由于时延的存在，操作者无法及时感知航天器的运动状态，所发出的控制指令也无法由航天器实时执行，由此将严重影响遥操作控制回路的稳定性和操作性能。

在克服时延的方法中，“运动-等待”方法和双边控制方法随着时延的增加，其控制性能急剧下降。预测显示方法在大时延条件下虽然可以协助操作员消除时延滞后，然而其补偿效果取决于被控对象模型和时延模型的精度。在缺乏对深空探测环境的先验了解下，建立较为精确的现场模型较为困难；同时受各种环境因素以及通信链路中的各种不确定性因素影响，时延随机变化较大，难以精确建模，也将严重影响状态预测的精度。

（二）人机联合问题

深空探测遥操作的控制主体是人，执行主体是航天器，人的参与程度和航天器的自主程度，不仅决定了遥操作应采用的控制算法，也决定了遥操作所能达到的控制性能。

在深空探测任务中，操作者缺乏对操作环境的先验了解，利用传感器获得的状态信息也较为有限，依靠真实测量信息进行控制会受到时延滞后的影响，依靠预测仿真信息进行控制也无法避免预测偏差对操作者判断和决策的误导。因此，研究人与机器的共享控制策略，充分发挥人的主观能动性和机器的稳定性、精确性，合理分配二者在任务执行时的控制权重，使之优劣互补，以达到最优的控制效果，是亟待解决的问题。

（三）安全控制问题

在深空探测遥操作中，控制回路中存在大时延和测量信息偏差等因素，加之人的不稳定性和机器智能的有限性，其安全性问题较为突出，稍有不慎可能造成航天器的损毁，影响任务的执行。

若采用监督控制的方法，即由人每次发送简单的控制指令，等待航天器执行完成并反馈信息后再进行下步操作，则过于保守，严重影响任务执行的连续性和操作性能；即使采用预测仿真方法，也无法完全复现真实任务场景，各种不确定的安全隐患也难以排除。因此如何对遥操作的安全性进行评估，并据此研究出安全的控制方法，是深空探测遥操作需要重点研究的问题。

四、深空探测遥操作技术展望

基于以上问题分析，笔者认为未来深空探测遥操作技术的研究应重点集中在以下几个方面：

一是运用虚拟现实技术在控制端构建远程场景的虚拟环境，包括几何模型的场景构建、动力学模型的建立和参数识别等问题，利用远端测量信息对模型进行实时更新，不断完善本地的预测仿真环境，以此作为克服大时延，实现连续控制的重要手段。

二是引入最优控制理论和人因工程理论，综合考虑操作者的工作负荷、任务时间和执行精度等因素，合理设计人和机器共享控制的权重，研究多目标优化的遥操作人机联合共享控制算法。

三是考虑模型、测量及控制等环节的各项偏差，推导遥操作的偏差传播模型，在此基础上建立安全性实时评估模型，对任务执行的安全性进行实时预警，设定相关安全阈值，必要时由安全系统强制介入，规避危险或中止任务。

可以预见，在人工智能高度发达之前相当长的一段时期内，遥操作技术将作为主要帮手，协助人类走向更美更远的星空。

（本文来源： 战略前沿技术）