“嫦娥五號”是中國探月工程“繞、落、回”的收官之戰，這次發射堪稱中國航天發射中任務最複雜的的一次發射任務。
中國航天科技集團有限公司五院508所承擔了該項任務中8臺（套）載荷和1臺相機控制器的研製工作，其中包括工程引數測量分系統相機6臺，制導導航與控制分系統地形敏感器1臺，有效載荷分系統降落相機1臺。相比嫦娥系列工程前期的任務，508所此次所承擔的嫦娥五號專案研製任務呈現出高整合度、高壓縮率、高度輕量化、高試驗量級、高產品數量的“五高”特點，隨之而來的一系列技術難關，像是五座巍峰橫亙在專案研製團隊面前。團隊攻堅克難，使中國輕小型宇航級深空探測相機技術水平邁上了新臺階。
▲嫦娥系列相機的畫素數由探月二期的130萬提高到了400萬
一拖五：硬體工程師的整合之路
嫦娥五號探測器由返回器、軌道器、著陸器和上升器組成。其中著陸器上有5臺工程引數測量分系統相機。它們分別是鑽取機構監視相機、取樣過程監視相機A/B/C和分離上升監視相機。
如果這5臺相機獨立設計，不僅每臺相機的重量會比較重，而且總產熱量太大會給相機熱控設計造成較大困難。5臺相機分別與整星進行電纜連線，更會增加電纜網的複雜度和重量。再考慮到可靠性和設計備份，幾乎讓團隊到了崩潰邊緣。5臺、熱控、電纜、重量、可靠……這些關鍵詞縈繞在硬體工程師張保貴的腦海。這時，一個童年的聲音在耳畔響起“葫蘆娃，葫蘆娃，一個藤上七個瓜……”“對呀！”他重重地一拍大腿，“就這麼辦！”召集團隊馬上轉入討論，“每臺相機內部都要配備一個供電轉換系統，5臺相機就是5個，如果‘合五為一’成一臺總控制器，就相當於省了4個供電轉換系統。不僅能大大降低總重和功耗，整星電纜數量和重量也會大大減少，一舉多得！”張保貴的這個想法就是“一拖五”的淵源。
然而，“一拖五”並沒那麼簡單。為了實現該方案，硬體工程師們首次引入了FPGA+DSP處理架構，兩晶片分工明確，FPGA主要對相機進行時序控制和影象預處理，DSP主要承擔資料壓縮任務。這種架構能大幅度提升相機效能和整合度，但技術難度也大幅上升。其中一個技術難點就是兩種不同晶片之間的時序協同和通訊傳輸問題。這就好像兩個國別不同、語言不通的人合練一段舞蹈，且得溝通磨合呢。僅FPGA軟體和DSP軟體之間的聯調就花了一個多月時間。相機控制器這種“一拖五”設計，支援5路相機控制和影象處理，解決了多通道資料並行處理與模式切換問題，為後續多相機整合設計奠定了技術基礎。
150:1高壓縮：軟體工程師的“縮骨大法”
為提高相機成像質量，專案團隊將前期嫦娥系列相機的畫素數由探月二期的130萬提高到了400萬，由於“一拖五”設計，還要支援多路資料同時壓縮，意味著資料量是原來的10倍以上。而深空探測資料傳輸的特點就是通道窄、位元速率低，這就要求對相機的影象資料壓縮到足夠小。這是一個非常大的挑戰，相當於要把喜馬拉雅山的高度壓縮到黃鶴樓級別。
軟體工程師張原野心中的一片原野頓時隆起了一座座高峰，“該如何鎮壓呢？”經過任務分析研究，結合此次深空探測對動態過程成像工況多的特點，他引入了H.264壓縮編碼技術，在相同成像質量條件下可獲得更優異的影象。這是國內首次將該項技術應用於深空探測領域。H.264演算法的移植、編碼效率和穩定性，以及並行處理5臺相機的資料，均是要解決的問題。
影象壓縮的機理簡單來說就是找到畫素間的相關性並加以整合。要使龐大連續的影片影象資料透過狹窄的資料通道，就要利用前後幀影象間的相關性減少傳輸資料量，比如只傳輸差異性資訊，相同資訊不再重複傳輸。這就是軟體工程師的“縮骨大法”，演算法團隊最終實現了高達150:1的H.264影片影象壓縮比，並且同時實現了面向靜態影象的寬壓縮比範圍的JPEG2000演算法，為後續專案提供了強有力的技術支援。
鎂合金是怎樣登上月球的
因嫦娥五號探測器肩負著“取樣返回”的重任，在攜帶燃料有限的情況下，整器及其對各單機的重量要求極為苛刻。為實現結構的高度輕量化，8臺相機和1臺相機控制器都是按克減重的，表面被掏成了蜂窩。即便如此，傳統電子學結構材料鋁合金依然顯得笨重，只剩下了一個辦法，那就是更換密度更低的材料。結構設計師佟靜波和吳建福背起了元素週期表：氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁……在鋁前面的金屬也就鋰鈹鈉鎂了，鋰鈉太活潑鈹有毒，鎂合金必然是首選。因此密度約為鋁合金三分之二的鎂合金材料登上探月相機領域。
設計下來，最輕的相機只有400克。材料輕了，設計師可沒那麼輕鬆。同樣是輕質金屬，鎂合金與鋁合金還是有區別的，使慣了大刀的關公不太好舞劍，用熟了鋁合金的設計師，初次駕馭鎂合金也顯得生分。材料供應週期長、有的探傷不合格、表面噴漆易脫落、身板軟機械加工易變形等，故事情節一波三折。不過，烈馬最終被馴服，鎂合金順利開啟了登月之旅。
HOLD住！均方根加速度30g
力學試驗總能量高達30倍的重力加速度是通常遙感相機試驗能量的3倍多，比之前相機的試驗能量約20倍重力加速度還要多出50%量級。對於電子裝置來說可能是要振出“內傷”的。為了滿足抗力學設計，結構設計師可謂絞盡腦汁，既要實現高度輕量化設計，更要兼顧裝置的抗力學效能。
“這裡能不能給我留個安裝孔”、“那幾個器件能不能換個位置，給加強筋留個路”等等，電路板佈局已然十分緊張了，結構設計師與硬體工程師還要就區域性細節反覆協調、互求讓步。龍生九子各個不同，8臺載荷加1臺相機控制器就是9倍的工作量。30倍重力，無論是裝置還是設計師，都要HOLD住！
產品68臺套、技術檔案壘起來有一人高。
取樣返回是一個複雜過程，508所承擔的嫦娥五號相機數量也是目前為止歷次發射任務中數量最多的一次。在相機全週期研製過程中，共交付各階段產品68臺/套，創下了研製的一個小新高，相關技術檔案疊加的高度接近2米，研製艱辛可見一斑。可以說，整個嫦娥五號小相機的研製過程，體現了508所相機研製團隊勇於登攀的奮鬥精神、克難攻堅的創新意識、繼往開來的大局觀念。
“嫦娥五號”是中國探月工程“繞、落、回”的收官之戰，這次發射堪稱中國航天發射中任務最複雜的的一次發射任務。
中國航天科技集團有限公司五院508所承擔了該項任務中8臺（套）載荷和1臺相機控制器的研製工作，其中包括工程引數測量分系統相機6臺，制導導航與控制分系統地形敏感器1臺，有效載荷分系統降落相機1臺。相比嫦娥系列工程前期的任務，508所此次所承擔的嫦娥五號專案研製任務呈現出高整合度、高壓縮率、高度輕量化、高試驗量級、高產品數量的“五高”特點，隨之而來的一系列技術難關，像是五座巍峰橫亙在專案研製團隊面前。團隊攻堅克難，使中國輕小型宇航級深空探測相機技術水平邁上了新臺階。
▲嫦娥系列相機的畫素數由探月二期的130萬提高到了400萬
一拖五：硬體工程師的整合之路
嫦娥五號探測器由返回器、軌道器、著陸器和上升器組成。其中著陸器上有5臺工程引數測量分系統相機。它們分別是鑽取機構監視相機、取樣過程監視相機A/B/C和分離上升監視相機。
如果這5臺相機獨立設計，不僅每臺相機的重量會比較重，而且總產熱量太大會給相機熱控設計造成較大困難。5臺相機分別與整星進行電纜連線，更會增加電纜網的複雜度和重量。再考慮到可靠性和設計備份，幾乎讓團隊到了崩潰邊緣。5臺、熱控、電纜、重量、可靠……這些關鍵詞縈繞在硬體工程師張保貴的腦海。這時，一個童年的聲音在耳畔響起“葫蘆娃，葫蘆娃，一個藤上七個瓜……”“對呀！”他重重地一拍大腿，“就這麼辦！”召集團隊馬上轉入討論，“每臺相機內部都要配備一個供電轉換系統，5臺相機就是5個，如果‘合五為一’成一臺總控制器，就相當於省了4個供電轉換系統。不僅能大大降低總重和功耗，整星電纜數量和重量也會大大減少，一舉多得！”張保貴的這個想法就是“一拖五”的淵源。
然而，“一拖五”並沒那麼簡單。為了實現該方案，硬體工程師們首次引入了FPGA+DSP處理架構，兩晶片分工明確，FPGA主要對相機進行時序控制和影象預處理，DSP主要承擔資料壓縮任務。這種架構能大幅度提升相機效能和整合度，但技術難度也大幅上升。其中一個技術難點就是兩種不同晶片之間的時序協同和通訊傳輸問題。這就好像兩個國別不同、語言不通的人合練一段舞蹈，且得溝通磨合呢。僅FPGA軟體和DSP軟體之間的聯調就花了一個多月時間。相機控制器這種“一拖五”設計，支援5路相機控制和影象處理，解決了多通道資料並行處理與模式切換問題，為後續多相機整合設計奠定了技術基礎。
150:1高壓縮：軟體工程師的“縮骨大法”
為提高相機成像質量，專案團隊將前期嫦娥系列相機的畫素數由探月二期的130萬提高到了400萬，由於“一拖五”設計，還要支援多路資料同時壓縮，意味著資料量是原來的10倍以上。而深空探測資料傳輸的特點就是通道窄、位元速率低，這就要求對相機的影象資料壓縮到足夠小。這是一個非常大的挑戰，相當於要把喜馬拉雅山的高度壓縮到黃鶴樓級別。
軟體工程師張原野心中的一片原野頓時隆起了一座座高峰，“該如何鎮壓呢？”經過任務分析研究，結合此次深空探測對動態過程成像工況多的特點，他引入了H.264壓縮編碼技術，在相同成像質量條件下可獲得更優異的影象。這是國內首次將該項技術應用於深空探測領域。H.264演算法的移植、編碼效率和穩定性，以及並行處理5臺相機的資料，均是要解決的問題。
影象壓縮的機理簡單來說就是找到畫素間的相關性並加以整合。要使龐大連續的影片影象資料透過狹窄的資料通道，就要利用前後幀影象間的相關性減少傳輸資料量，比如只傳輸差異性資訊，相同資訊不再重複傳輸。這就是軟體工程師的“縮骨大法”，演算法團隊最終實現了高達150:1的H.264影片影象壓縮比，並且同時實現了面向靜態影象的寬壓縮比範圍的JPEG2000演算法，為後續專案提供了強有力的技術支援。
鎂合金是怎樣登上月球的
因嫦娥五號探測器肩負著“取樣返回”的重任，在攜帶燃料有限的情況下，整器及其對各單機的重量要求極為苛刻。為實現結構的高度輕量化，8臺相機和1臺相機控制器都是按克減重的，表面被掏成了蜂窩。即便如此，傳統電子學結構材料鋁合金依然顯得笨重，只剩下了一個辦法，那就是更換密度更低的材料。結構設計師佟靜波和吳建福背起了元素週期表：氫氦鋰鈹硼碳氮氧氟氖鈉鎂鋁……在鋁前面的金屬也就鋰鈹鈉鎂了，鋰鈉太活潑鈹有毒，鎂合金必然是首選。因此密度約為鋁合金三分之二的鎂合金材料登上探月相機領域。
設計下來，最輕的相機只有400克。材料輕了，設計師可沒那麼輕鬆。同樣是輕質金屬，鎂合金與鋁合金還是有區別的，使慣了大刀的關公不太好舞劍，用熟了鋁合金的設計師，初次駕馭鎂合金也顯得生分。材料供應週期長、有的探傷不合格、表面噴漆易脫落、身板軟機械加工易變形等，故事情節一波三折。不過，烈馬最終被馴服，鎂合金順利開啟了登月之旅。
HOLD住！均方根加速度30g
力學試驗總能量高達30倍的重力加速度是通常遙感相機試驗能量的3倍多，比之前相機的試驗能量約20倍重力加速度還要多出50%量級。對於電子裝置來說可能是要振出“內傷”的。為了滿足抗力學設計，結構設計師可謂絞盡腦汁，既要實現高度輕量化設計，更要兼顧裝置的抗力學效能。
“這裡能不能給我留個安裝孔”、“那幾個器件能不能換個位置，給加強筋留個路”等等，電路板佈局已然十分緊張了，結構設計師與硬體工程師還要就區域性細節反覆協調、互求讓步。龍生九子各個不同，8臺載荷加1臺相機控制器就是9倍的工作量。30倍重力，無論是裝置還是設計師，都要HOLD住！
產品68臺套、技術檔案壘起來有一人高。
取樣返回是一個複雜過程，508所承擔的嫦娥五號相機數量也是目前為止歷次發射任務中數量最多的一次。在相機全週期研製過程中，共交付各階段產品68臺/套，創下了研製的一個小新高，相關技術檔案疊加的高度接近2米，研製艱辛可見一斑。可以說，整個嫦娥五號小相機的研製過程，體現了508所相機研製團隊勇於登攀的奮鬥精神、克難攻堅的創新意識、繼往開來的大局觀念。