准备征服木卫四：JUICE以完美无瑕的技巧完成模拟飞越通信测试

欧空局的木星冰月探测器（Juice）将于2032年6月首次瞥见古老的、布满火山口的木卫四（Callisto），并在2034年最后一次飞越之前21次呼啸而过该卫星。在这些近距离接触中，"Juice"将收集有关月球的珍贵科学宝藏。图片来源：欧空局

这看似遥远，但在航天器运行的世界里，任何时候开始准备都不嫌早。位于德国的欧空局 ESOC 任务运行中心的团队最近"欺骗"了 Juice 的工程模型，让它以为自己已经在木卫四，以便对任务的自主导航软件进行测试。

当"Juice"号抵达木卫四时，地球和木星系统之间巨大的通信延迟意味着，一旦出现问题，它将无法等待任务控制中心的回复。

虽然我们对 2031 年 4 月木卫四的位置有一个很好的概念，但我们对其位置的了解还不够精确，无法保证"Juice"号的轨迹将以完全正确的方式穿过木卫四的引力场，从而完美地进行高精度的科学测量。

在木星和地球之间发送和接收信息所需的时间里，Juice 遥感仪器的指向可能会偏离轨道，以至于错过科学研究，影响关键任务目标的实现。

欧空局的"Juice"号航天器正在前往木星的途中，但它的"双胞胎"最近也完成了自己的特殊旅程，抵达了欧空局 ESOC 任务控制中心的新家。图片来源：欧空局

即使是微小的偏差也会对科学产生可怕的影响，因为"Juice"号的一些仪器需要对准木卫四的特定区域，误差必须在极小的几分之一度之内，才能进行测量。

"我们需要"JUICE"号能够用自己的"眼睛"和"大脑"做出反应，"飞行操作主管伊格纳西奥-坦科（Ignacio Tanco）说。"当木卫四号出现在其导航相机的视野中时，它需要能够识别月球表面的重要特征，旋转自身以将仪器对准它们，然后继续旋转，以便在飞过时将它们保持在视野中"。

欧空局的团队驾驶航天器飞往太阳系中令人兴奋的新目的地。为了进行重要活动的训练，并帮助诊断和解决数百万公里外的航天器遇到的问题，他们使用了留在地球上的独一无二的复制品。这个"工程模型"是被送往深空的硬件、软件、电气系统和仪器的精确复制品。

"Juice"团队用它的工程模型来测试自主导航软件，该软件将使"Juice"号在木星系统中保持正常运行。

他们将一系列月球图像投射到"Juice号"忠实地复制的航天器导航相机上，欺骗"Juice"，让它以为自己在木卫四，看看它将如何反应。

计算机生成的木星卫星木卫四图像之一，用于在 2024 年 3 月测试 Juice 工程模型的能力。当"Juice"在2031年经过真正的木卫四时，科学家们将看到这个神秘的、布满火山口的外星世界，这就是航天器导航相机所看到的木卫四。图片来源：欧空局/空中客车

这些由计算机模型生成的高分辨率图像描绘了"Juice"七年后抵达时将看到的木卫四的准确方位和相位。

欧空局航天器运行工程师朱利奥-平赞（Giulio Pinzan）说："这并不像提前准备图像和在导航相机前播放视频那么简单。导航软件必须对这些图像做出反应。如果它发现接近木卫四的角度不对或朝向稍有错误，它就必须在没有我们帮助的情况下尝试纠正这些错误，这意味着木卫四的视图必须对航天器的行动做出实时反应。我们实际上是在'Juice'的摄像头上绑上了一个沉浸式VR头显，让它在这个虚拟空间里独立移动。"

来自欧空局和 Juice的制造商空中客车公司的团队为木卫四飞越测试分配了三天时间。航天器操作员、科学家以及机械、电气和软件工程师都预计要花费数天的时间来遇到和解决问题，最终实现干净利落的飞越，使 Juice 完全按照他们的要求做出反应。

让这次测试更具挑战性的是，他们无法使用航天器操作工具包中最重要的工具之一。通常，在对航天器的物理工程模型进行类似的复杂测试之前，首先要在没有物理部件的全数字软件模拟器上进行测试。

大多数问题都是在模拟器上遇到和解决的，只有当操作人员已经对测试结果有了很好的了解时，才会在物理工程模型上进行测试。

欧空局航天器运行工程师 Giulio Pinzan 在 ESOC 的 Juice 工程模型前。工程模型用于测试航天器的操纵，诊断和解决飞行模型在数百万公里之外遇到的任何问题。Juice"工程模型位于飞行模型控制室旁边大楼内的一个气候控制设施中。图片来源：欧空局

朱利奥-平赞说："但这种情况非常复杂，目前无法用 Juice 软件模拟器进行模拟。我们完全是在盲目地进行这次测试"。

然而，尽管他们满怀期待，团队还是在第一天的首次尝试中取得了成功。"Juice"的导航软件锁定了木卫四的正确区域，使其仪器直接对准这些区域，并在艰难的飞越过程中安全地保持了正确的轨迹。

朱利奥说："我们真的要特别表扬一下我们的飞行动力学团队。他们的数学计算准确无误，使我们能够在第一次尝试时就顺利完成飞越，尽管他们通常缺乏使用软件模拟器进行实验的经验。这真的太神奇了。他们连我们自己都感到惊讶。"空客团队也做得非常出色，他们及时为测试建立了工程模型，同时还为我们提供了正确操作自主导航系统所需的所有细节"。

这段视频展示了"朱利斯"号飞越地月系统的过程。这被称为"月地重力辅助"（LEGA），在世界上尚属首次："JUICE"号通过执行这一机动--在月球上进行重力辅助飞越，1.5 天后再飞越地球--将能够在旅途中节省大量推进剂。图片来源：ESA/Lightcurve Films/R. 安德烈斯

木卫四飞越是"Juice"号将面临的最艰巨的任务之一，也是工程模型最难设置和执行的任务之一。

二月份，模型从法国空中客车公司运到德国 ESOC。随着最后一次测试的顺利完成，该模型现已完全安装完毕，欧空局团队已接受了如何使用该模型的全面培训，并已正式移交。

Juice 小组现在需要通过在太空中进行类似的测试来确认飞行模型的行为与工程模型完全相同。不过，只有在飞越行星时才有机会用 Juice 的导航相机跟踪大型物体。

即将于今年 8 月进行的月地引力辅助测试不在此次测试之列。在这次双星飞越中，"JUICE"号将飞越月球，然后在不到 24 小时后飞越地球，以便迅速从两个天体中获取能量。这是一个从未尝试过的非常微妙的操作，所有人员都需要做好准备，随时应对任何异常情况。

编译自/scitechdaily