【科技日報】翱翔青藏高原，“云雀”銜來更多科考數據----中國科學院

加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關鍵核心技術，努力搶占科技制高點，為把我國建設成為世界科技強國作出新的更大的貢獻。

——習近平總書記在致中國科學院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經濟主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，率先實現科學技術跨越發(fā)展，率先建成國家創(chuàng)新人才高地，率先建成國家高水平科技智庫，率先建設國際一流科研機構。

——中國科學院辦院方針

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【科技日報】翱翔青藏高原，“云雀”銜來更多科考數據

2020-09-28 科技日報邊常及郝曉明

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語音播報

“云雀”在青藏高原進行科考工作受訪單位供圖

　　上世紀70年代到90年代，我國首次對青藏高原地區(qū)進行了綜合性科學考察，獲得了大量一手資料，填補了青藏高原研究的諸多空白。時隔40多年，我國再次啟動為期約10年的青藏高原綜合科學考察研究，60多個專題科考分隊開展十大科考任務，涉及五大綜合考察區(qū)域。

　　為深入實施“科技助力青藏科考”，促進青藏高原環(huán)境變化機理揭示，此次科考中加入了無人機、無人船和衛(wèi)星等新技術手段采集相關數據。據新華社9月21日報道，由中國科學院沈陽自動化研究所自主研制的“云雀飛行機器人”（以下簡稱“云雀”）在青藏高原開展了高海拔冰川與湖泊智能化科考工作，實現了我國首次機器人化高海拔環(huán)境科考。

　　機器人助拳打退科考工作“攔路虎”

　　青藏高原擁有世界上最壯麗的雪山和冰川，同時也是生物多樣性最豐富的地區(qū)。但由于海拔高、氧氣稀薄、氣候惡劣多變、地勢險峻、人跡罕至，尤其在極高海拔區(qū)，科考活動難度大、危險系數高，嚴重制約了高原科考全面深入持續(xù)開展。

　　與“有人化”相比，“無人化”科考在高海拔地區(qū)的優(yōu)勢較為突出，體能、體力不再成為惡劣環(huán)境下科考工作的“攔路虎”，科考效率和數據準確性能得到大幅提升。

　　中國科學院沈陽自動化研究所研究團隊負責人何玉慶說，特別是在“無人區(qū)”，采用機器人代替科考人員開展相關科考工作，可以深入到危險區(qū)域或人類難以抵達的區(qū)域，獲取更多“有人化”科考無法獲取的數據或樣本，大大提升了科考的空間尺度。

　　能抗七級風小飛機展示大力量

　　然而，高海拔地區(qū)惡劣的環(huán)境讓飛行機器人參與科考面臨著多重困難：空氣稀薄會使飛行機器人升力明顯降低，大風將影響飛行機器人的穩(wěn)定飛行，冰川、湖泊、山地等多變地形則需要飛行機器人具備高度自主的飛行能力和仿地、避障等多種功能。

　　為了適應高海拔環(huán)境，“云雀”突破了“稀薄大氣中的高效升力系統(tǒng)設計”“高原強風干擾下的自主控制”等多項技術瓶頸，實現了在稀薄空氣、強風擾等極端環(huán)境下的飛行。它可以自主完成起降、定點/航跡飛行、仿地飛行、動靜態(tài)障礙物規(guī)避等動作，具備獨特的“高空垂直梯度數據連續(xù)準靜態(tài)觀測”能力。

　　“它身高58厘米，體長138厘米，能抵御7級大風，可攜帶5公斤科考載荷，其自主作業(yè)能力可覆蓋青藏高原所有野外科考站和絕大部分冰川區(qū)，具備在海拔6000米高度飛行近30分鐘的綜合能力。”何玉慶說，“云雀”執(zhí)行了多項科考任務，在實際應用中充分驗證了多項創(chuàng)新技術和自主作業(yè)能力。

　　海拔6000米 “云雀”采集多項數據

　　冰川表面溫度是冰川動力學模型中非常重要的參數，可以反映出冰川對氣候變化的響應，其準確性會直接影響冰川運動和氣候變化的模擬及預報結果，對我國東部、西南部氣候變化，以及北半球氣候具有巨大的影響，甚至對全球氣候變化也有明顯的敏感性、超前性和調節(jié)性。

　　廓瓊崗日冰川集冰川、湖泊、草甸于一體，地形復雜多變，“云雀”通過冰面溫度熱紅外影像監(jiān)測和冰川三維地形勘測與建模，可助力科研人員獲取冰川的面積、厚度、冰儲量等數據，這對全球水資源和氣候變化、災害預警等方面具有重要意義。

　　在廓瓊崗日冰川高空大氣溫濕壓與黑碳通量垂直廓線監(jiān)測工作中，“云雀”采集的數據可以剖析青藏高原典型冰川和積雪區(qū)吸光性雜質（黑碳）的含量分布及其對反照率的影響，并對冰川和積雪消融的貢獻量進行評估。

　　納木錯湖風景秀麗，湖水清澈，是我國第二大咸水湖和世界上海拔最高的湖泊。在海拔4730米的納木錯湖區(qū)，“云雀”通過對高原湖泊深部水體樣品自動化采集和湖水溫度垂直剖面進行實時監(jiān)測，分析高原湖泊的水質、礦鹽物質的時空變化情況，評估了區(qū)域氣候變化對冰雪融水、區(qū)域降水以及水生物等的影響。

　　為進一步推動我國第二次青藏科考向無人化、立體化、網絡化方向發(fā)展，適應大尺度、高時空密度的科考需求，中國科學院沈陽自動化研究所項目團隊將繼續(xù)提升機器人抵御極端惡劣環(huán)境的能力，進一步探索并突破空地、空水機器人互聯協作技術，構建起由空中、地面、水面、水下機器人組成的立體化智能科考裝備體系，持續(xù)推動機器人應用于更廣泛的高海拔科考任務。　

　　（原載于《科技日報》 2020-09-28 04版）

　　“云雀”在青藏高原進行科考工作受訪單位供圖
　　上世紀70年代到90年代，我國首次對青藏高原地區(qū)進行了綜合性科學考察，獲得了大量一手資料，填補了青藏高原研究的諸多空白。時隔40多年，我國再次啟動為期約10年的青藏高原綜合科學考察研究，60多個專題科考分隊開展十大科考任務，涉及五大綜合考察區(qū)域。
　　為深入實施“科技助力青藏科考”，促進青藏高原環(huán)境變化機理揭示，此次科考中加入了無人機、無人船和衛(wèi)星等新技術手段采集相關數據。據新華社9月21日報道，由中國科學院沈陽自動化研究所自主研制的“云雀飛行機器人”（以下簡稱“云雀”）在青藏高原開展了高海拔冰川與湖泊智能化科考工作，實現了我國首次機器人化高海拔環(huán)境科考。
　　機器人助拳打退科考工作“攔路虎”
　　青藏高原擁有世界上最壯麗的雪山和冰川，同時也是生物多樣性最豐富的地區(qū)。但由于海拔高、氧氣稀薄、氣候惡劣多變、地勢險峻、人跡罕至，尤其在極高海拔區(qū)，科考活動難度大、危險系數高，嚴重制約了高原科考全面深入持續(xù)開展。
　　與“有人化”相比，“無人化”科考在高海拔地區(qū)的優(yōu)勢較為突出，體能、體力不再成為惡劣環(huán)境下科考工作的“攔路虎”，科考效率和數據準確性能得到大幅提升。
　　中國科學院沈陽自動化研究所研究團隊負責人何玉慶說，特別是在“無人區(qū)”，采用機器人代替科考人員開展相關科考工作，可以深入到危險區(qū)域或人類難以抵達的區(qū)域，獲取更多“有人化”科考無法獲取的數據或樣本，大大提升了科考的空間尺度。
　　能抗七級風小飛機展示大力量
　　然而，高海拔地區(qū)惡劣的環(huán)境讓飛行機器人參與科考面臨著多重困難：空氣稀薄會使飛行機器人升力明顯降低，大風將影響飛行機器人的穩(wěn)定飛行，冰川、湖泊、山地等多變地形則需要飛行機器人具備高度自主的飛行能力和仿地、避障等多種功能。
　　為了適應高海拔環(huán)境，“云雀”突破了“稀薄大氣中的高效升力系統(tǒng)設計”“高原強風干擾下的自主控制”等多項技術瓶頸，實現了在稀薄空氣、強風擾等極端環(huán)境下的飛行。它可以自主完成起降、定點/航跡飛行、仿地飛行、動靜態(tài)障礙物規(guī)避等動作，具備獨特的“高空垂直梯度數據連續(xù)準靜態(tài)觀測”能力。
　　“它身高58厘米，體長138厘米，能抵御7級大風，可攜帶5公斤科考載荷，其自主作業(yè)能力可覆蓋青藏高原所有野外科考站和絕大部分冰川區(qū)，具備在海拔6000米高度飛行近30分鐘的綜合能力。”何玉慶說，“云雀”執(zhí)行了多項科考任務，在實際應用中充分驗證了多項創(chuàng)新技術和自主作業(yè)能力。
　　海拔6000米 “云雀”采集多項數據
　　冰川表面溫度是冰川動力學模型中非常重要的參數，可以反映出冰川對氣候變化的響應，其準確性會直接影響冰川運動和氣候變化的模擬及預報結果，對我國東部、西南部氣候變化，以及北半球氣候具有巨大的影響，甚至對全球氣候變化也有明顯的敏感性、超前性和調節(jié)性。
　　廓瓊崗日冰川集冰川、湖泊、草甸于一體，地形復雜多變，“云雀”通過冰面溫度熱紅外影像監(jiān)測和冰川三維地形勘測與建模，可助力科研人員獲取冰川的面積、厚度、冰儲量等數據，這對全球水資源和氣候變化、災害預警等方面具有重要意義。
　　在廓瓊崗日冰川高空大氣溫濕壓與黑碳通量垂直廓線監(jiān)測工作中，“云雀”采集的數據可以剖析青藏高原典型冰川和積雪區(qū)吸光性雜質（黑碳）的含量分布及其對反照率的影響，并對冰川和積雪消融的貢獻量進行評估。
　　納木錯湖風景秀麗，湖水清澈，是我國第二大咸水湖和世界上海拔最高的湖泊。在海拔4730米的納木錯湖區(qū)，“云雀”通過對高原湖泊深部水體樣品自動化采集和湖水溫度垂直剖面進行實時監(jiān)測，分析高原湖泊的水質、礦鹽物質的時空變化情況，評估了區(qū)域氣候變化對冰雪融水、區(qū)域降水以及水生物等的影響。
　　為進一步推動我國第二次青藏科考向無人化、立體化、網絡化方向發(fā)展，適應大尺度、高時空密度的科考需求，中國科學院沈陽自動化研究所項目團隊將繼續(xù)提升機器人抵御極端惡劣環(huán)境的能力，進一步探索并突破空地、空水機器人互聯協作技術，構建起由空中、地面、水面、水下機器人組成的立體化智能科考裝備體系，持續(xù)推動機器人應用于更廣泛的高海拔科考任務。
　　（原載于《科技日報》 2020-09-28 04版）
　　

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