“6条狗”负责唤醒玉兔

     12月17日下午，当记者在航天502见到综合电子分系统应用软件副主任设计师党纪红时，他对记者说现在还睡不好觉，因为玉兔车上设计的功能仅有十分之一得到展示和检验。
　　比如，玉兔上还有支“胳膊”没伸开去抓取东西；玉兔的自主关机与唤醒，还有二十几天才能见到结果。因此，在与记者交流之后，他就匆匆赶回实验室——有好些月球上传回的照片等着他处理。
　　众所周知，月球绕地球转一圈需要28天多，月球自转也是28天。这意味着，月球上的一昼夜相当于地球上的28天。这意味着，月球的一个昼夜相当于地球上的28天，及白天14天，晚上14天。嫦娥三号着落在月球的时间大约是地球上的早晨8、9点钟，就是说玉兔车将在月球上连续工作十几个地球日。
　　按照计划，玉兔车就将在月球上连续工作3个月的地球日，那么玉兔号如何熬过月球上漫漫长夜？
　　　为此，科研人员为“玉兔号”精心设计了休眠模式——14天工作，14天“睡觉”。按照设计，玉兔车的能源主要是太阳能，当月球进入夜晚，因为缺少能源玉兔将关闭自身的绝大多数功能，玉兔上的计算机也会在关掉各种仪器设备后，自我关闭。
　　　在玉兔休眠的14天里，玉兔依靠体内的核能维持整车处于一个基本的温度范围内，保证计算机系统元器件的完好。白天有光照时，综合电子计算机就可以对整器进行热控管理，保证玉兔工作在一个合理的温度范围。
　　　计算机自动关机好理解，不过，当又一个月球白天来临时，谁来打开月球上的计算机？
　　　“那就靠我们设计的6条狗电路来担当唤醒任务了。”刘波形象地把月球车计算机的唤醒机制称为闹钟狗。“狗电路闹钟定时器非常重要，利用电压变化触动计算机开机开关”。
　　　 更通俗的解释是，就是狗电路会实时监视传输到自身的电压，随着月球上白天来临，太阳越升越高，电压会持续升高，当太阳升高到某个角度时，电压就会达到某一个阈值，这条“狗”就会通知玉兔醒来，并顺序打开相应的计算机、摄像头等设备，玉兔便又可以行走、拍照，往“家乡”地球发回图片了。
　　　玉兔车上有两台一模一样的计算机，如果主机坏了，狗电路将唤醒备份计算机。6条狗里面，其中3条狗是主角，另外3条狗是备份狗，每只狗负责唤醒一部分功能。该计算机有几个最，国内运行频率最快，存储器容量最大，功能集成度最高的宇航计算机；该设计处于国内领先地位，达到了同类产品国际先进水平。


   操作系统再次突破
　　　 本报曾报道过我国第一代星载计算机操作系统产品Space OS，其升级版Space OS2首次应用便安装在了玉兔的计算机上，因为玉兔的计算机需要在任务调度和内存管理方面有更好的表现，第一代产品不能满足月球车的任务要求，SpaceOS2可以同时管理几十个任务，同原来的几个任务相比，该系统的能力有了数量级的提升。
　　  月球车在月面行走时，要携带一个大容量硬盘，一边不停地拍摄月面环境，一边快速保存和处理这些信息。如前进路上遇到一个坑，调度操作系统就必须在最短的时间内作出判断并反应，否则就有可能掉进坑里。
　　 “我们设计的内存管理方法和调度方法，从功能、效率上来讲，已经可以和国际上最先进的类似产品相媲美。”作为一个女研究员，嫦娥三号巡视器综合电子单元副主任设计师孙越主要负责SPACE OS2操作系统。
　　　 现在，中国航天科技集团五院502所操作系统设计团队正在进行Space OS3的研发工作，是第三代星载计算机操作系统产品，功能将更加强大，技术更加前沿。他们将要攻克的是形式化验证，即从建模和证明的角度来验证设计领域软硬件的正确性，如果这一技术得以突破，将改变航天目前通过大量测试来验证设计正确性的方法，从根本上确保设计的无差错和高可靠。
    从2004年4月嫦娥一号卫星研制工作算起，近十年的时间，设计们终于把玉兔养成，并把它送上38万公里外的月球。从此，无论月圆月缺，代表成功的玉兔成了设计师永久的牵挂。
　　
　　
  对话：星载计算机从PC变“白富美”
　　电脑报：玉兔号是月球车第一次采用综合电子系统，这个系统的诞生主要得益于哪些科技的进步？
　　　宫经刚：设计人员认为是玉兔在小巧方面的要求推动了巡视器综合电子系统的诞生。
　　　为了完成月球车在月球表面的移动与科学探测，月球车有GNC（制导、导航与控制）、有效载荷、数管、机构、测控等多个业务系统。原来传统航天器每个业务系统都有自己独立的计算机，由于嫦娥三号只能承载小“玉兔”，否则重量、体积、功耗受不了，所以玉兔多个业务系统的计算机首次综合到一起，“玉兔”计算机——综合电子单元也因此应运而生。
　　　电脑报：和以往的月球车相比，采用综合电子系统的意义何在？
　　　作为月球车的核心产品之一，综合电子分系统是许多专业技术的综合，也是我国航天器电子产品研制道路上许多个第一次的综合：第一次实现了航天器数据管理计算机、载荷计算机和导航制导控制计算的综合集成；第一次完成了姿态导航、数据管理、移动规划的集成控制并轻小型化；第一次在空间计算机领域性能达到国际先进水平并实现了综合电子软硬件地面集成测试与验证的方法；第一次实现在轨应用软件可全部更新；等等。
　　
　　电脑报：相比以前的月球车，玉兔号上的计算机有什么不同？
　　宫经刚：玉兔上的计算机可在轨休眠与唤醒也是第一次，我们以前研制的卫星或飞船上的计算机都是按照15年持续运行的要求设计的。因为有了综合电子系统，玉兔的计算机立即“白富美”了，成了空间计算机中的PAD，集成了，小巧了，智能了，人性化了。
　　　但小PAD却有大本事，外设访问速度提高了3倍，存储容量提高了40倍，运算处理能力提高10倍，但单个计算机主机却只有400多克，功耗不足5瓦。
　　刘波：我最津津乐道的是，综合电子系统将引领后继的星载电脑更新换代的潮流。比如说，遇到大问题还可以直接刷BIOS。这会给航天技术带来不可想象的好处。
　　电脑报：从零起步，你们花了整整10年才将玉兔号送上了月球地面。这中间经历了哪些困难？
　　刘波：科技研发不可能没有困难，但我们一般很少提困难，也是我们应该去付出和坚守的。要说到具体的苦难，比如为了规避处理器中的BUG，设计师对玉兔计算机80多万个指令组合进行测试，规避了几十个指令组合缺陷和多个处理器设计缺陷；为了查找一个10行代码中的丢数错误，一个团队连续熬了三个通宵，一个星期才解决问题；外场测试时，选择了在一个荒无人烟的沙漠。综合电子分系统随玉兔在严酷的风沙环境中，利用一个月的时间完成了几公里的“越野”，设计师们也与世隔绝一个月......
    
 
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■玉兔踏月时间表
12月14日：21时11分嫦娥三号成功着陆月球虹湾以东区域，随即按计划开展着陆器与巡视器分离各项准备工作。
12月14日：23时45分地面人员向嫦娥三号发送指令，两器分离开始。嫦娥三号着陆器太阳翼展开，玉兔号巡视器立于着陆器顶部，展开太阳翼，伸出桅杆。
15日：3时10分巡视器开始向转移机构缓慢移动。转移机构的主要部分是两根悬梯导轨。
4时06分巡视器移动到位，转移机构正常解锁，轻轻展开、降落，在着陆器与月面之间搭起了一架斜梯。巡视器沿着斜梯款步而下。
4时35分巡视器踏上月球，在月面印出一道深深的痕迹。着陆器监视相机完整记录下这一过程，并及时将成像数据传回地面。 




“玉兔号”月球车8个分系统
移动分系统：采用轮式、摇臂悬架方案，具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障能力；
导航控制分系统：携带有相机及大量传感器，在得知周围环境、自身姿态、位置等信息后，可通过地面或车内装置，确定速度、规划路径、紧急避障、控制运动、监测安全；
电源分系统：由两个太阳电池阵、一组锂离子电池组、休眠唤醒模块、电源控制器组成，利用太阳能为车上仪器和设备提供电源；
热控分系统：利用导热流体回路、隔热组件、散热面设计、电加热器、同位素热源，可使月球车工作时舱内温度控制在+55℃～-20℃之间；
结构与机构分系统：由结构和太阳翼机械部分、桅杆、机械臂构成，主要为各种仪器、设备、有效载荷提供工作平台；
综合电子分系统：将中心计算机、驱动模块、处理模块等集中一体化，采用实时操作系统，实现遥测遥控、数据管理、导航控制、移动与机构的驱动控制等功能；
测控数传分系统：保证月球车与地球38.4万公里的通信以及与着陆器之间的通信；
有效载荷分系统：月球车配备的科学探测仪器，包括全景相机、红外成像光谱仪、测月雷达、粒子激发X射线谱仪等。


月球车发展
月球车，学名“月面巡视探测器”，是一种能够在月球表面行驶并完成月球探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆。
世界首台无人驾驶月球车:1970年11月17日，世界上第一台无人驾驶的月球车由前苏联发射的月球17号探测器送上月球。在月面“雨海”地区着陆后，它行驶了10.5公里，进行了10个半月的科学探测，考察了8万平方米的月面，直至携带的能源耗尽，于1971年10月4日停止工作。
世界首台有人驾驶月球车:1971年7月31日，“阿波罗15号”登上月球“雨海”地区的第二天，宇航员斯科特和欧文进行了航天史上首次有人驾驶的月球车行驶。两名宇航员驾驶4轮月球车，在崎岖不平的月球表面行驶了27.9公里，收集了77公斤月岩样品，之后返回登月舱。