2007年3月，我國與俄羅斯簽約，按約定，中國第一個火星探測器“螢火一號”將搭乘俄羅斯運載火箭，踏上訪問火星的漫漫旅程。這是我國繼載人航天工程、探月工程之后，首次開展的地外行星空間環境探測活動。航天可視化團隊負責人教授趙正旭參與了這一舉世矚目的活動，與北京航天飛行控制中心合作研發深空探測可視化系統。這是北京航天飛行控制中心首次與高校合作，也是河北高校首次參與中國航天事業。
□高長安 蘇喜娥
“如果今年10月份火星探測計劃不推遲，那么我們通過電視就可以看到一億公里之外‘螢火一號’探測器探訪火星的全過程，而提供這一真實虛擬空間的就是深空探測三維可視化平臺。”日前，火星探測三維可視化平臺技術負責人、航天可視化團隊負責人趙正旭教授向記者介紹。
近年來，我國進行了“神五”、“神六”、“神七”等一系列載人航天工程及探月工程，但這都是對宇宙淺層空間的探測，而對深空進行探測中國還是首次。2007年3月，在中俄兩國國家元首的見證下，我國與俄羅斯簽署了關于聯合探測火星及火衛一的合作協議。根據中俄合作協議，我國自主研發的“螢火一號”探測器將與俄羅斯“福布斯—格朗特”著陸探測器共同搭乘俄方運載火箭升空。按照原計劃，火星探測器發射后，北京航天飛行控制中心三維可視化平臺將實時接收各類測控數據，對“福布斯—格朗特”和“螢火一號”飛行器探測火星全過程進行三維展示，而這一可視化平臺的技術指導則是石家莊鐵道學院計算機與信息工程分院院長趙正旭教授。
三維可視化平臺
讓深空“近”在眼前
“在太陽系八大行星之中，除金星以外，火星是距離地球最近的行星。因此，火星就成為人類深空探測的第一站。”趙正旭介紹。
人類使用空間探測器進行火星探測的歷史幾乎貫穿整個人類航天史。早在1960年10月10日，蘇聯向火星發射了第一枚探測器，緊接著就在4天以后，第二枚火星探測器升空，然而這兩枚火星探測的先行者卻連地球軌道都沒能到達。40多年來，蘇聯、美國、日本、俄羅斯和歐洲共發起30多次火星探測計劃，其中三分之二以失敗告終。
“火星探測三維可視化平臺可以實時展示探測器運行情況，并通過三維可視畫面展示飛行器飛行軌道、姿態，及地球、火星和其他行星相對位置關系，甚至是探測器分離、掩星試驗等重要過程。”趙正旭介紹。也就是說，通過三維可視化系統平臺，可以讓遙不可及的宇宙深空“近”在眼前。人們不用到外層太空，就可以通過三維可視化系統平臺，看到深空探測器探測火星精彩而激動人心的全過程，雖然是虛擬的三維畫面，但這是絕對的“真實”。
“火星探測三維可視化平臺的另一個功能就是實時監控，以往衛星發射后接收到的是只有專家才能看得懂的數據，而火星探測三維可視化系統平臺可以將這些專業的數據直接轉化為三維的畫面，操控人員一目了然，通過直觀的畫面就可以地監控火星探測器運行情況。”直觀地說，三維可視化系統平臺猶如游戲機上虛擬的屏幕，玩游戲的人通過屏幕上虛擬的圖像操作汽車的方向，而火星探測操控人員則是通過三維可視化系統平臺，調整幾千公里以外甚至是更遠的火星探測器運行軌跡，確保火星探測器按照預定軌道運行。
能夠與北京航天飛行控制中心合作開發國家火星探測三維可視化系統平臺，對趙正旭來說絕不是偶然，而是十六載科研成果的積淀，十六年辛勤耕耘厚積薄發的結果。
自主研發
TDS深空探測系統十六載
“本次火星探測任務三維可視化系統平臺是在TDS系統的基礎上進行開發的。”趙正旭說，TDS系統，全名Total Discovery of
Space，是虛擬現實軟件系統，用于表現航天器飛行情況，并對其進行實時監控，實現多目標多任務下航天器及運載工具的運行狀態及星空和空地運行環境的實時模擬。1992年，在英國留學的趙正旭開始了TDS深空探測系統研發工作，當時英國只有6所高校中的極少數人涉足虛擬現實領域。
“虛擬現實是我的研究方向，開發TDS則完全是因為興趣。”就是因為興趣使然，原本在國內學習機械專業的趙正旭，出國后攻讀計算機科學博士學位，此后就開始了虛擬現實技術研究與系統開發，自此TDS系統的研發就成為他生活與工作的一部分。
“TDS系統所有的命令都是我自己編寫的，每一個編碼都是我親自輸入的。”16年中，趙正旭精心“搭建”這一平臺，熟悉每一條命令，每一個語句，一刻都不曾丟棄過。就是在這日復一日的維護中，TDS深空探測系統越來越強大，功能也越來越完善。
2008年12月，中國衛星發射測控系統部主任申雷來到石家莊鐵道學院訪問。早在1996年，在英國任職計算機學科教授和系主任的趙正旭就與當時任中國駐英大使武官的申雷認識，而他在航天方面的才能更是引起了申雷注意。申雷找到趙正旭，希望他能回國。2008年10月，趙正旭和夫人一起回到祖國。而申雷這一次留下了深刻的印象，回到北京后，申雷倡導趙正旭教授參與火星探測計劃。
隨即，2009年4月，北京航天飛行控制中心副總工程師、繞月探測工程測控系統副總設計師、中國科技大學虛擬現實實驗室主任周建亮來到找到趙正旭教授。當他參觀完TDS深空探測系統后贊口不絕，希望能用這個系統開發火星探測三維可視化系統平臺。
“我希望能夠與你們合作，共同開發國家火星探測三維可視化系統平臺。”趙正旭的建議讓對方非常高興，隨即雙方就火星探測可視化平臺建立了合作協議。
無心插柳柳成蔭，就連趙正旭自己也沒有想到，自己大部分在業余時間研發的TDS系統有朝一日能夠在中國航天首次深空探測中派上用場。但有一點，趙正旭非常清楚，就是所有的成功都是長年累月默默無聞中一點一滴積累而得。
6個月緊張開發終成正果
“協議雖然簽訂了，但當時心里還是沒底。”趙正旭有些猶豫。按照火星探測原計劃，離火星發射不到6個月，這么短的時間能否完成？很多國內一流高校都想參與這一項目，但北京航天飛行控制中心只看準了趙正旭。
做事一向謙虛謹慎的趙正旭只要了10萬元作為啟動資金。項目啟動經費非常低，鑒于此，北京航天飛行控制中心特別提供了一臺價值200萬元的航天飛行測控硬件軟件計算機系統。
就這樣，在航天飛行控制可視化實驗室及趙正旭的指導下，我國首次火星探測三維可視化系統平臺僅用了6個月的時間就完成了建立和調試。
雖然中國“螢火一號”沒有按原計劃發射，但是在2004年，在英國Derby大學工作的趙正旭曾親眼目睹了英國民間火星探測發射情況。該活動由當時Derby大學佩林卡（音譯）教授發起，火星探測器命名為“號角二號”，沿用達爾文環游世界創造進化論時乘坐的“號角一號”之名，但遺憾的是，“號角二號”升空后不知所往。“當時非常激動與興奮！”這是趙正旭第一次近距離觀看火星探測器。
“目前，火星探測三維可視化平臺僅是北京航天指揮中心二代系統可視化平臺中的一期工程，今后雙方還要繼續開展二期探月、三期落月的合作，最終建設成適應我國航天飛控中心各類航天任務可視化系統平臺的統一架構。”這是趙正旭的終極研發目標。