一、月球探测具有
重大的历史意义
月球是地球的近邻，也是地球唯一的天然卫星。从20世纪50年代末至70年代初，前苏联共向月球发射了32个探测器，与此同时，美国也向月球发射了21个无人探测装置。人们利用从月球采集到的382.7千克月球土壤和岩石样品，对月球表面环境、月壤物理化学性质、陨石坑的分布以及月球资源的开发前景等进行了系统的研究，获得了大量的科学数据。人们惊奇地发现原来月球的资源非常丰富，开发利用的前景非常广阔，同时发现开展月球探测有其深刻的科学技术意义、深远的社会和经济意义以及重要的军事意义和政治意义。
1969年7月20日，美国“阿波罗”11号宇宙飞船把第一批宇航员送上了月球，使月球成为人类亲临考察的第一个也是目前唯一的天体。后来，美国又相继发射了多艘飞船，前后共有12名宇航员踏上月球。宇航员在月面上安装了各种科学仪器、太阳风测试仪以及核动力试验站，对月球和近月空间进行了多学科考察。与此同时，1970年，前苏联成功地发射了“月球车”1号，并在雨海着陆，完成了月面行走探测，获得了大量的科学数据。此后，对月球的探测飞行中止。
然而，1994年5月31日至6月3日，在瑞士和欧空局的倡导下，美国、俄罗斯、日本和欧洲的科学家们在瑞士贝阿滕贝召开了一次讨论征服月球问题的大会。他们一致认为登月并在月球上建立永久基地是非常必要的。
在美、苏中止月球探测计划阶段，日本一直在进行这方面的研究工作，并于1991年发射了日本第一颗月球轨道探测器，1998年发射了“希望号”火星探测器。另外，日本将于近期发射一颗月球探测器，利用三部穿透雷达来了解月球深处的情况，还计划再发射一颗月面巡视器完成月面采样任务后返回，大约于2015～2020年在月球上建设一个小型基地，2020年着手建立一个永久性基地。
与此同时，美国于1994年发射了“克莱门汀”1号无人月球探测器，于1998年又发射了“月球勘测者”探测器。俄罗斯、欧空局、日本乃至印度等都制定了月球/行星探测计划，正朝着2030年建立月球站的方向努力。
二、目前国内外月球/
行星车研究情况
1、国外月球/行星车研究现状
世界各国开发和研制星球探测车系统已经有多年的历史，特别是美国在这方面已有成熟的经验。由于星球探测车在任务、功能、结构、控制方法和主要问题等方面有很多类似之处，因此对其它星球探测车系统的分析也将有助于月球车系统的研制。
在这里我们将简要地介绍几种主要的行星车和月球车。它们有在研的，也有发射成功的，并且都是业内人士比较认同的。
（1）“索杰纳”
由美国喷气推进实验室在原有“洛基”系列车的基础上改进而成。它于1997年7月发射到火星表面上，在“火星探路者”的可视范围之内，进行科学和技术实验。其质量为11.5kg，外型尺寸为60cm×40cm×35cm。
（2）“洛基”7
“洛基”7由美国喷气推进实验室研制，用于在地面完成一段长距离(约50km)的自主控制旅行实验，其目的是验证2010年发射自主控制的火星漫游车的可行性。其质量为15.7kg，外型尺寸为60cm×40cm×33cm。
（3）“现场集成设计与运行车”（FIDO）
FIDO是美国喷气推进实验室正在研制的一种高度自主控制的火星探测车，主要用于火星上的样本选择和采集，预计2003年将发射到火星上，2005年携带样本返回。为了实现样本搜索、样本选择、样本采集和样本返回这一系列操作，自主控制在这里特别关键。其质量略大于70kg，外型尺寸为105cm×85cm×55cm。
（4）“流浪者”
“流浪者”类似于一种行星车，由美国卡内基－梅隆大学机器人研究所野外机器人中心研制而成，已经于1997年通过了在智利阿特卡马沙漠上的测试。阿特卡马沙漠的环境类似于月球和火星的表面，测试行程220km，在其行程中既有自主控制又有几千公里以外的人工遥控。测试中还进行了车体在复杂地形上的行驶能力测试。这次测试也作为一次地质遥测考察，为将来小车在地球以外进行地质考察铺平道路。其驱动结构、通信和传感器都设计得比较有创意，可以为我们设计月球车提供参考。其质量为550kg，外型尺寸为1.8m×l.8m×2.4m（装载时）和2.4m×2.4m×2.4m（展开时），轮子的尺寸为直径76.2cm、宽50.8cm。
（5）“纳漫游车”
纳漫游车是由美国喷气推进实验室开发的一种微型火星车，用于协助其它火星车工作。它具有一种奇特的轮式移动结构，具备传统的滚动和转动之外的其它移动方式。其可移动柱杆的关节备有轮子结构，可以看作是腿式机器人和轮式机器人的一种混合结构。采用这种结构，小车可以在底盘朝上时，自动翻过来，具有自矫正功能，并且还能够在微重力的环境下行走。其质量不到1.2kg，最大长度只有20cm。
（6）“微”5
“微”5是由日本宇宙开发事业团(NASDA)等研制开发的一种小体积、轻质量和低能耗行星车，为日本2005年以前发射月面巡视器奠定基础。其质量约为5kg，外型尺寸为55cm×53cm×25cm。
除此之外，在日本以日本宇宙科学研究所(ISAS)和NASDA为核心也开展了月球车的一系列研制工作。其中，ISAS提出了一种具有子母结构的月球车方案。
2、国内月球车研究现状
为了迎接国际航天科技的挑战，在国内，以航天科技集团公司北京控制工程研究所、清华大学、哈尔滨工业大学、国防科学技术大学以及中国科学技术大学为主的一些高等院校和科研机构，相继开展了有关月球探测及遥科学方面的研究工作。
北京控制工程研究所承担了“月球表面探测机器人方案研究”863项目，运用“虚拟样机”技术构造了虚拟月面计算机仿真环境，对月球表面探测机器人的动力学特性进行了分析和仿真研究，对机器人的机械结构进行了优化设计，同时对月球表面探测机器人的关键技术进行了深入的研究。目前，本课题研究已经做了大量的工作，并取得了很好的成果。
清华大学在月球表面环境及月球车几何建模方面做了大量的工作，并对所采用的电机进行了一定的研究。国防科学技术大学贺汉根教授领导的研究小组以“索杰纳”为蓝本，研制了KDR－1试验样车，对自主导航及路径规划技术进行了研究。哈尔滨工业大学针对深空探测成立了“深空探测基础研究中心”，积极启动了月球探测的研究工作，并取得了可喜的研究成果。此外，中国科学技术大学空间科学研究中心对月球车的总体方案及关键技术进行了一系列的研究工作。
三、我国当前需要
解决的主要关键技术
我国深空探测急需解决的技术是：
·深空通信和测控网
·登月轨道设计及实现技术
·软着陆登陆技术
·月球探测机器人及遥科学技术
根据月球环境及特点，考虑到月球车所执行的任务，月球车研究包括以下关键技术：
（1）轻小型机械及驱动机构
月球车的机械结构应体现结构紧凑、体积小、质量轻的特点，同时与之配套的驱动机构应具备很好的稳定性以及较强的爬坡和翻越障碍能力。目前已经出现的行驶机构主要有履带式、腿式和轮式，其中轮式的效率最高，但适应能力最差，而腿式的适应能力最强，但效率最差。
（2）大时延遥操作技术
月球车遥操作中最主要的问题是空间与地面通信中的时间延迟以及有限的数据传输带宽。通信延迟包括遥控指令的延迟和遥测信号的延迟，主要是由光传播速度造成的。时延使连续遥操作闭环反馈控制系统变得不稳定。目前，3D预测仿真图形是解决大时延遥操作的主要方法，为此需建立月球车和月球环境的预测仿真图形显示系统，在良好人机界面的条件下进行遥操作。
（3）自主导航、定位与控制
月球车应同时具备自主与遥操作两种工作方式。由于月球场景数据与遥操作指令传输存在大时延问题，所以月球车有必要实现自主导航、定位与控制，在自主和遥操作配合的情况下完成任务。
（4）传感技术
自主导航的前提是月球车配备完善的传感系统，充分、细致地感知外部环境，同时将遥测数据传回地面控制台。
（5）信号的压缩、传输与恢复
对在大时延、数据传输带宽有限条件下的信号压缩、传输与恢复技术的研究。
（6）安全及可靠性技术
包括材料、密封、润滑、能源、温控、故障诊断与处理等技术。
四、发展我国探月计划
的可行性及构想
1、发展我国探月计划的可行性
开展月球探测在技术上必须具备运载、控制、通信、有效载荷研制及应用等能力。上个世纪50年代末，我国就将发射人造地球卫星列为国家重点发展项目。自1970年第一颗人造地球卫星上天以来，我国共发射了数十颗卫星，完全拥有近地、地球静止和太阳同步轨道卫星及运载火箭的研制能力，掌握了各种轨道航天器的发射、跟踪、测控及其配套技术。
在动力技术方面发展了液体推进剂火箭推进技术、固体推进剂火箭推进技术以及电火箭推进技术、核能推进技术和冷气推进技术等一整套高新技术。
在信息技术方面，通信卫星、遥感卫星的发展应用以及通信技术、数据传输技术和信息收集都已取得了新的突破，使建立快速、高保真、大容量的信息网成为现实。
在材料技术方面，仅新研制的长征三号运载火箭就开发出各种新型材料217种。高温合金、高比强铝镁合金、钛合金、高比强高韧性复合材料、耐烧蚀材料、防热结构材料、阻尼材料、密封材料、低温材料、润滑材料以及各种推进剂原材料及加工工艺等高技术均有长足的进步。
其它技术领域（如现代控制技术、微电子技术、无线电技术、能源技术、光电技术等）的发展，标志着我国已具备发射月球轨道卫星的技术条件。
月球探测是一项国际协同与合作的活动。从1970年起，每年召开一次月球和行星科学讨论会。充分利用国际合作这个窗口，借鉴国外的先进技术，促进我国航天技术和月球探测及开发并为我国占领外层空间和分享月球开发利用权益争取发言权具有重要意义。
2、发展我国探月计划的实施方案
(1)总体方案的设计。
根据我国国情，我们建议发射一辆中小型、执行单一任务的月球车。初步设定所研究的月球车的重量为30～60kg。以六轮摇杆悬吊式结构作为主要研究对象，采用多轮驱动方式，使月球车具有较强的越野能力。同时采用多轮转向技术，从而提高月球车运动的灵活性。
电子元器件应具备抗超高温、超低温、强辐射的能力。
根据所执行的任务，采用的有效载荷可能包括α质子、X射线分光计，彩色摄像机，激光条纹投影仪，加速度计，撞击检测开关，还有用于挖掘和采样的机械臂以及多功能手爪。
(2)采用“虚拟样机”技术，建立一个集三维实体设计、动力学建模、控制、可视化仿真于一体的虚拟月面计算机仿真环境，为优化月球车结构参数、动力学参数及控制算法提供设计和验证场所，对月球车关键技术(包括机构设计，自主导航、制导与控制和遥操作技术等)进行仿真研究，对所提出的方案进行优化设计。
“虚拟样机”技术是一个全新的概念。它是在建造第一台物理样机之前，研究人员利用软件技术建立的机械系统计算机三维实体模型，用以进行仿真分析并以图形显示出该系统在真实工程条件下的运动特性，从而修改并优化设计方案。
通过机械系统的“虚拟样机”模型与控制系统设计软件(如MATLAB)相结合，能自行地仿真分析系统中所含有的非线性特性，改进控制系统的设计，最终达到机电一体化的优化结果，大大提高了系统方案的可行性。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用“虚拟样机”技术仅需几个小时就可以完成。
“虚拟样机”环境的构造包括：
1）月球车三维实体建模
采用六轮摇杆悬吊式机械结构，利用Pro/E软件建立三维实体模型。
Pro/E软件的优点是能够全面地反映几何体的几何特性，包括几何体各部分的相对尺寸大小，质量分布；各几何体之间的联结关系，装配关系，公差以及装配时是否发生干涉现象。同时，在造型的过程中可采用参数相关技术，使得实体造型达到事半功倍的效果。
2）月面环境的建模
利用3DMax强大的建模功能，实现月球表面环境(如环形山、月坑、月脉、月溪等)的建模。
3）动力学仿真环境的生成
运用3DMax、Pro/E与DADS
(动力学仿真与分析软件)间的接口技术，实现月球车三维实体模型、月面模型和动力学仿真环境的有机结合，最终生成“虚拟样机”仿真环境，为月球车结构参数、动力学参数以及控制算法的优化提供一个有效的验证平台。
4）控制策略的设计与动力学仿真
在MATLAB环境中设计行之有效的控制策略，通过MATLAB与DADS的无缝接口实现对月球车的控制仿真。
利用“虚拟样机”技术，还可以对大时延遥操作技术进行仿真研究。
（3）构造地面微重力月面仿真环境，建立地面演示系统。对月球车的关键技术(包括传感技术，GNC，信号的压缩、传输与恢复，安全及可靠性技术和能源技术)以及关键部件(包括驱动机构、转向机构、采样器等)进行工程检验，并提出合理的优化、改进措施，为形成成型的产品做准备。
（4）系统集成。
3、实现的技术途径
在月球车的研制过程中，我们将采用如下技术途径：
(1)采用“虚拟样机”技术，建立一个集三维实体设计、动力学建模、控制和可视化仿真于一体的虚拟月面计算机仿真环境，为月球车结构参数、动力学参数及控制算法的优化提供设计和验证场所，对月球车关键技术进行仿真研究，对所提出的方案进行优化设计。
(2)利用吊丝配重重力补偿系统构造月球表面1/6g微重力环境，建立月球车的地面演示系统，对月球车的关键技术以及关键部件进行研究。
目前，国家高技术航天领域空间机器人工程研究中心正在进行月球车系统虚拟样机及遥操作技术的研究工作。该中心将在对三维月球车系统模型进行动力学仿真的基础上，确定最佳月球车系统结构、控制及遥操作方案，以更快、更可靠地发展我国月球车系统。