他叫朱飛虎，是給航天器造“眼睛”的人。
圖 | 朱飛虎（來源：朱飛虎）
2021 年5 月 15 日，中國首款自主研發火星探測器“天問一號”，在火星成功完成軟著陸，這是中國第一次真正意義上的深空之旅，這意味著中國的火星探測能力直追美國，併成為首個利用單個探測器一次性完成“環繞+著陸+巡視”等任務的國家。
其中，火星著陸多功能避障敏感器（下稱“避障器”）承擔著重要作用，而它正是那雙“眼睛”。
朱飛虎表示，其擔任“天問一號”火星著陸多功能避障敏感器的主任設計師，並率領團隊於 2015 年著手研究避障器，2019 年 4 月將產品交付給整星，2020 年 7 月它跟隨“天問一號”探測器於發射入軌，後於 2021 年 5 月成功著陸火星烏托邦平原。
圖 | 著陸（來源：朱飛虎）
中國國家航天局對此評價稱：“著陸點附近地勢平坦，石塊丰度和尺寸與預期一致，表明著陸點自主選擇和懸停避障實施效果良好。”朱飛虎也因此獲得2021達摩院青橙獎，也成為該獎項設立以來的首位航天科學家得主。據悉，達摩院青橙獎始於2018年8月，是業內最早為發掘中國青年學者而設立的公益性學術評選。今年的青橙獎共有365人參評。10名青橙獎得主經初審、通訊評審、終審答辯等嚴苛流程後由組委會評出。青橙獎共收到近100位海內外院士、長江學者、IEEE/ACM Fellow等知名學者的推薦。
（來源：阿里達摩院）
讓“天問一號”度過火星著陸的“黑色9分鐘”
這雙“眼睛”讓“天問一號”度過了火星著陸的“黑色 9 分鐘”，以穩穩的姿勢降落在烏托邦平原。作為國際航天領域中最困難、失敗率最高的任務，火星軟著陸的成功率不到 50%。
火星距地球遠達 4 億公里，無法進行實時通訊，因此在“天問一號”著陸火星的 9 分鐘裡，工作人員無法進行地面干預，只能依靠探測器進行自主控制。由此可見火星著陸之難，歷史上許多國家都曾參與，但只有中美兩國完成了這一過程。
圖 | 鐳射精避障，水平 6。2m，垂直 4m（來源：朱飛虎）
據朱飛虎介紹，NASA 一般採取如下兩種著陸方式：其一是氣囊著陸方式，利用開啟的氣囊進行緩衝，藉此來保護著陸車。其二是天空起重機方式，NASA 的好奇號火星探測器和新一代火星車毅力號均用此進行著陸。相比之下，我們選擇了軟著陸，這也是和中國探月工程相似的著陸方式。
對比 NASA 的著陸方式，軟著陸的不同主要有二：其一是大氣傘降，藉助大氣空氣動力學讓速度降到較低水平。其二是拋掉探測器大底，露出視覺系統來做精確導航，這時再開啟緩衝 7500 牛發動機，以進行動力減速，以便在傘降過程實現精確可控的減速。
在動力下降期間，探測器距離著陸地越來越近，當相距僅有 10 公里時，探測器要執行精確導航，這時需要一雙“視力精準”的“眼睛”即多功能避障敏感器。
在用於“天問一號”探測器時，多功能避障敏感器主要有三大主要任務：首先，它要藉助視覺系統光學成像模組去規避背罩，當探測器拋完大底，降落傘和背罩會攜伴脫離探測器，它倆在脫離時的落點不能重複，否則會導致撞車現象。
圖 | 背罩規避與光學避障（來源：朱飛虎）
其次，利用視覺系統形成的初步避障，可讓著陸避開大型岩石、較大的隕石坑，從而保證祝融號火星車順利行走。再次，祝融號火星車的著陸腿比較細，一旦落在岩石或隕石坑上有可能會翻車。
在距離著陸地 100 米時，憑藉多功能避障敏感器的鐳射三維成像，探測器可執行懸停避障動作，從而規避尺度小於 0。2m 的小型岩石和隕石坑，藉此進行精避障，以防止火星車落到岩石和隕石坑上。
圖 | 整器懸停避障試驗（來源：朱飛虎）
具體來說，光學成像模組和鐳射成像模組是多功能避障敏感器的兩大組成部分。它們主要承擔以下角色：第一，探測器背後的降落傘及金屬結構，它的別名叫背罩。由於背罩很大，假如探測器著陸點離它太近，背罩可能會纏住火星車，因此要設法做以規避。
第二，大型岩石和隕石坑也是被規避的物件。當探測器距離著陸點在3000米至10000米時，它要對障礙進行粗略識別，並規避半徑在百米級至公里級之間的大型障礙。而在火星著陸九分鐘中，著陸腿會在最後三分鐘伸出防熱大底，這時多功能避障敏感器也要識別火星表面的障礙。
圖 | “天問一號”著陸點自主選擇系統（來源：朱飛虎）
當探測器距離著陸地僅有一百米時，鐳射成像模組可執行更高精度的障礙規避，被規避物件是尺寸小於 0。2 米的石頭和隕石坑，藉此讓火星車落到更平坦的地方，以防止其後續行為受限。概括來說，多功能避障敏感器的看家本領是給火星車選擇平坦的著陸區域。
月球車巡視和空間交會
視覺系統也可用於月球車巡視和空間交會上。當月球車在巡視時，視覺系統可幫它識別周圍地形地貌，從而做出精確規劃。月球車上還會搭載導航相機和避障相機，它和探測器的著陸相機有諸多相似之處，透過呈現立體三維影象，讓行走中的月球車可以辨別並避開車輪邊的障礙，比如石子和凹坑等。
圖 | 交會對接（來源：朱飛虎）
在航天器交會對接上，還要進行相對位置測量和姿態測量，當兩者接近時，不僅要完全對上相對位置，還要保證姿態配對，即只有面對面時才能成功對接。而對接精度的要求也很高，一般在毫米量級，角度要求則在零點幾度量級。
朱飛虎表示，視覺系統曾成功應用於天舟三號，在使用時它全面繼承了避障器系統的硬體，同時也對軟體做了迭代，以保證交會對接任務的順利完成。
在軟體上，他設計的著陸點自主選擇視覺導航演算法，具備實時、魯棒等優點，讓“天問一號”的成功軟著陸獲得更多保障。
據悉，該演算法採用雙目視覺演算法硬體化的方式，並用FPGA加以實現，具備太陽高度角變化，自適應調整陰影和方差特徵等能力。此外，他還建立了噪聲模型，讓以數字化地形、進行全工況模擬成為現實。未來，在“天舟四號”以及後續神舟系列飛船上都會用到。
此外，朱飛虎團隊參與研發的同類視覺產品——導航相機和避障相機，也已應用在祝融號火星車上。2021 年 5 月，祝融號火星車的拍攝影像公佈，無論是彩色影象、還是黑白避障影象，均由導航相機和避障相機拍攝完成。嫦娥五號交會對接光學成像敏感器（下稱“敏感器”），則是朱飛虎團隊研發的另一款“眼睛”。2020 年底，中國首次月球取樣返回 1731g 月壤。
圖 | 嫦娥五號交會對接成像敏感器相關示意圖（來源：朱飛虎）
當上升器與軌道器交會時，敏感器保障了 150m 的對接、以及平移靠攏段的進行，這一步也被稱為“千里穿針最後一步”，精度最高、難度最大，作為唯一的“眼睛”，敏感器作用之大不言而喻。
另一方面，朱飛虎帶領的空間鐳射類產品研製團隊也已成長起來，該隊伍也將在實施小天體探測任務、探月四期任務、空間站任務等重大航天任務承擔基石作用。
不過他也表示，相比國外同類產品，國內避障器的主要不足分別來自視覺和鐳射兩方面。無論是視覺，還是鐳射，效能的提升主要受限於探測器晶片，而只有好晶片才能帶來高效能。和國產晶片廠商交流之後他發現，相比國外先進感測器的指標，國內感測器仍有一定差距。而在鐳射器上，雖說中國鐳射器的晶體材料已處於全球領先地位，但在鐳射器件的整合上，仍和國外有一定差距。
三步走：繼續深耕光電導航
朱飛虎是安徽安慶人，生於 1986 年，本科畢業於哈工大，後在清華獲得博士學位。9 歲時，他就開始閱讀天文學書籍，再加上爸媽都是理工科背景出身的教師，打小就給他講天文學故事，航天的“種子”早已播撒在心間。本科時，其就讀於哈爾濱工業大學，博士畢業於清華大學，期間一直學習電子科學與技術專業。
如今，他就職於北京控制工程研究所空間智慧控制技術國家級重點實驗室，主要負責 GNC 分系統抓總單位，並承擔了 80% 以上的任務。截至目前，朱飛虎已發表論文 10 餘篇，申請專利 20 餘項，授權 11 項，並被評為航天五院青年拔尖人才、北京市科技新星候選人、北京控制工程研究所科技創新一等獎。
2024 年，中國即將發射小天體，這將是中國首次小行星探測任務，未來他也將擔任重要載荷與導航單機探測鐳射測繪導航系統負責人。
他表示，自己將繼續踐行航天精神，不斷深耕光電導航領域，具體分為三方面：其一是深入深空探測工程，從科學層面擴充套件人類認知；其二是參與北斗導航工程和衛星網際網路工程，從社會層面服務於老百姓的生活；其三是將最先進的光電導航技術應用於航天裝備上，提升航天裝備的智慧化控制水平。
與此同時，中國航天並不是一個封閉的系統，也在日益走向開放。在小行星探測上，其團隊正和德國馬普所合作。小行星探測任務屬於科研探索專案，可能涉及小行星演化、生命起源等科學問題，相對來說比較開放。
圖 | 小行星探測（來源：朱飛虎）
因此在小行星探測任務中，朱飛虎團隊這邊也可開放載荷給國外同行，在資料處理上也可跟對方進行合作。在更加大眾的業界應用上，朱飛虎團隊依靠軒宇空間科技公司平臺，將視覺導航系統擴充套件應用於民用領域，有望在自動駕駛領域發揮重要作用。
