王煜尘：南极“特种兵科考”之COOL旅

王煜尘 马春梅

白茫茫的冰原旷野上，我一个人背着尚有余温的电脑，一脚深一脚浅地往营地方向走，那是我最孤独的时刻，也是我最满足的时刻。那天没有风，气温很低，但阳光照耀下，我的脸颊滚烫，衣服也是热的

这场景听起来好似科幻电影，但其实是我在南极的亲身经历。这是2019年的最后一天，我在内陆泰山站空间物理观测舱调试系统，由于雷达浅层探测任务需要在撤站前完成，所以在新年到来之前，我必须做好空间物理观测舱的封舱和调试工作。此外，澳大利亚代表团也将飞抵泰山站访问交流，我负责的科研观测系统是交流参观的主体部分之一，届时需要完成空间环境与传感器功能的整体实现。这些任务加在一起，注定了我的极地跨年夜必有一场鏖战。那天我一直调试到凌晨3点，感觉一转眼的工夫，就已经来到2020年的第一天了。

早上，我终于完成了最后一次试运行，推开舱门，感觉后脑勺突然有些涨，我想可能是刚刚搬运设备消耗了体力，再加上长时间熬夜，产生了轻微的高原反应吧（泰山站氧气稀薄程度相当于国内拉萨地区）。恍惚之间，我看见天空中出现了5个光斑，一时间分不清这是幻觉还是实景，便用手机记录了下来。事后看手机，原来是日晕。随后，我拖着疲惫的身体往营地走，也就出现了开头的那一幕。

王煜尘，太原理工大学电气与动力工程学院电气工程专业2019级博士研究生，中国第36次、38次、39次南极考察队队员，2022年“中国最美大学生”。他参与过南极内陆队、越冬队、固定翼飞机队，在极地共工作了692天。他带领团队自主研发了5项南北极考察专用装备，实现了我国最南纬度的磁层与电离层无人值守耦合观测，以及北冰洋中心区跨年际海冰图像监测

“特种兵”开练

在中国南极考察队中，一直存在着两支神秘的“特种部队”，内陆队和越冬队。老队员常幽默又自豪地说，参加内陆队是短痛，参加越冬队便是长痛。荣幸的是，作为老队员的我，完整地体验了这两种痛。

这次“鏖战跨年夜”，是我作为内陆队员经历的一次“短痛”。那次南极科考考察队是2019年10月27日出发的。我作为中国第36次南极科考内陆队队员，随队12月15日出发深入南极洲腹地开展实验和调查。我的主要任务有3个，分别是：PANDA沿线（中国南极考察内陆行进路线）以及泰山站区周围浅层冰雷达探测，泰山站站区空间物理观测系统的搭建与调试，帮助队友建设泰山站新能源设施。

执行任务时，我们遇到了不少棘手的工程问题。泰山站空间物理观测舱是一套首次布置在南极内陆地区的空间物理观测综合实验系统，我们在国内联合调试时，没有充分考虑到极地低温和能量限制的条件，结果在现场实际工作中就遇到了Bug——当由于低温或者能量不足导致系统自动关机后，加热系统就无法自动重新启动。在无人值守的情况下，加热系统一旦“罢工”，整个观测舱就会在极地环境中长时间处于低温状态，系统内部的电池必会遭受不可逆的损伤，从而影响观测设备运行以及重要数据采集。

针对断电后加热器无法自启动的问题，我想建立一个描述系统能量收支的物理信息模型，这样就可以帮助系统在无人值守期间，保障基本观测数据质量，还能使运行更节能。于是，我利用备用的电路板加热材料和功率模块，组装调试成了一个带有功率监测及预测功能的自动加热切换功率电路。这样，不仅确保了系统断电后可以自启动，实现自加热，而且在嵌入人工智能算法后，还可以对未来一段时期的能量消耗进行预测，科学地进行能量配比，有效保持装备室内外焓差（指焓的差值。焓，热力学中表征物质系统能量的重要状态参量）。升级系统启用后，我看到全天空成像仪的穹顶罩在夜里也不再结霜，内心无比兴奋，我知道，这回获得相关感测器的观测数据——稳了！

2020年2月14日我们回到了中山站，近80天的极地内陆生活画上了句号。这是我的第一次“特种兵”练兵之旅。

拉丝曼丘陵“守夜人”

我的第二次南极之行于2021年11月3日拉开序幕，进行了17个月。这是一次马拉松，一场跨越极昼与极夜的战斗。之前说过南极越冬考察是“长痛”，而我却非常向往。

我是仪器仪表专业方向的研究者，这次出征，我的工作单元是子午工程（空间环境地基监测系统）下属的观测台站。如果你是细心的《三体》迷，或许可以理解，小说中地球三体组织的“统帅”叶文洁在雷达峰的工作，不管是合作单位还是工作地属性都与我的工作非常像。当我行走着，听着狂风吹起线缆的啸叫声时，我感觉东南极洲拉丝曼丘陵又多了一位守夜人。

2022年，中国空间站完成了多次重要发射，每一次发射前夕，远在万里之外的南极洲的我，都会对南极的两部设备进行加密观测设置，并24小时监测对应仪器的数据质量。当然，我只是发射任务中上百个地面保障单元执行者中的一位，但也是不可或缺的。

作为一名嵌入式工程师，我要做的是保障极地环境中设备的健康状态。我负责维护的设备有测高仪、高频雷达、感应式/通门式磁力计、宇宙背景噪声观测仪、全天空成像仪、激光成像仪，还间接参与维护钠荧光多普勒激光雷达探测系统、转动拉曼激光雷达系统以及相干多普勒测风激光雷达系统。这些仪器确保了我们在极区可以对地球空间进行磁层、电离层以及中低层大气的全方位观测。

强劲的山风中每两天一次爬上西南高地去检查高频雷达设备。这两天一次的南极巡山，使我在一年中走坏了两双极地考察专用的户外靴子。

即使大费周章，我们也坚持在南极采集地球空间环境变化的数据，这主要是因为南极的地理位置和环境条件极其特殊。南极几乎没有人类活动和污染，因此能够提供相对纯净的环境。此外，南极拥有丰富的冰雪资源，其冰盖覆盖着大量的气候和环境信息，可以被视作地球气候变化的“档案”。南极地区还拥有独特的大气环流和电离层结构，这些特殊的大气和空间环境让南极成为研究太阳活动、太阳风、宇宙射线等空间现象的天选之地。通过在南极进行地球空间环境变化研究，我们可以更好地探求太阳活动对地球的影响，揭示地球与太阳之间复杂的相互作用过程等。这些研究成果对于预测太空天气、保护卫星通信和导航系统，以及理解地球气候变化等都具有重要意义。

极地工作期间，我也学到了很多本专业以外的知识。我时常跟天文与空间物理学专业的队友打交道，便也对他们研究的学科有了初步了解。其中，空间物理学着重研究地球空间、日地空间和太阳系空间的物理过程和变化规律，主要研究对象包括太阳、行星际空间，地球和行星的磁层、电离层、大气层，以及几者之间的相互作用和因果关系。此外，高空物理学主要研究大气层和电离层等高空环境中的物理现象和过程，涉及通信和导航技术的改进、太空天气预测和风险管理、环境保护和气候变化研究、航空航天技术发展等方面。记得之前学习过一则有关加拿大魁北克大停电事故的案例，1989年3月13日的强极光出现在魁北克上空，伴随而来的地磁暴便使魁北克全省的供电系统瘫痪，600万加拿大人在长达9小时内无电可用。罪魁祸首就是磁暴引起的感应电场，感应电场在输电线的两端加上了一个额外的电压，多台变压器因过载而烧毁，制造、安装新变压器花去了几个月的时间。从这个例子可以看出，那些听起来遥不可及的前沿科学研究，以及为此提供了重要数据支撑的南极科考工作，实际上时刻联系着我们的日常生活和生产。了解这些知识，与这些专业的学生交流，对我工作也有不少助力。

无人战队“指挥官”

南极越冬考察是一次宝贵的机会，不少科研项目也都需要极地数据的支撑。驻在极地工作期间，我收到了同济大学、上海大学、南开大学、清华大学，以及中国科学院空天院、沈阳自动化研究所、还有大疆公司等单位的委托，帮助他们在南极进行多类无人自主系统的现场测试。我进行了无人履带车（野外、站区、室内）测试实验，无人机测试实验，以及无人船冰海测试。我手中俨然操控着一支极地海陆空无人系统战队。

无人车测试是最困难的一项实验，前后经历了4个月的时间，不仅要完成室外的无人载具的越冬期间示范性展示和性能验证，还要完成无人载具链路搭建的室内实验。

极区考察站与国内的通信是由卫星转发的，信号的传输原理和方式同在月球上通讯类似。实现南极地区大型载具的遥控操作和自我规划实验，对未来发展星际无人车的通讯和控制链路具有重要意义。

为了保证实验效果，我在这4个月里不得不适应的一件事，便是极夜期间的“切割式”睡眠。虽然极夜一直是黑的，但考察队员的作息时间依旧是根据东五区的时间进行。为了保障机器人的通讯带宽不受日常工作影响，我把测试时间建在当地时间凌晨4点至6点，因为6点以后，其他业务的用网流量将增长起来，难免对测试造成影响。

那4个月的极夜，只要测试链路，我一天的睡眠就不得已被拆分成4小时-1小时-1小时，我佩戴的运动手环显示，睡眠质量一度下降到了60分。就这样强睁着惺忪的双眼，我在中山站下夹层进行了一个月的链路测试实验，实现了中山站内的室内机器人小车国内远程遥控操作。

实现室内机器人小车成功控制后，室外机器人小车测试的准备工作便提上议程。机器人小车要在南极完成越冬期间的长时间巡逻监测，越障性能和能源系统是决定机器人生命周期的重要因素。

此次实验操作的机器人小车是多个研究团队共同的宝贝：结构和系统由中国科学院沈阳自动化研究所卜春光老师、何玉庆老师设计，在国内的遥操作软件与操控系统由南开大学张雪波教授团队完成，车载的科学载荷和相关非标传感器由太原理工大学窦银科教授课题组提供，整体南极机器人遥操作实验由中山站站长郭井学高工统筹协调。

实验现场常会出现各种各样的问题，单是把机器人运输到站区野外环境中就是一个很大的挑战。机器人能在冰上轻巧行走得益于它有着重达上百斤的履带，如果它遇到刚刚降下的一米多深的松软积雪时，那就步履艰难甚至寸步难行了。因此，给机器人规划好走的，“脚”下有岩石的路线和区域，就是我需要解决的第一个问题。好在站区有之前使用无人机采集的三维点云数据，基于此进行规划，一块适合机器人的作业区域在电脑中便生成了，再结合机器人本身的定位数据，实验测试便可顺利推进。

就这样，通过不断改进，我们终于成功实现了在国内控制南极机器人小车的操作，此外，在南极控制国内的链路也获得成功。

无论是无人车、无人艇还是无人机，每项设备在经历极地严酷环境考验时，均会遭受不同程度的损坏，或会暴露待改进的方面。遇到突发情况，我时常就地取材：无人机机臂折断，我焊接好后找机械师帮忙，选了一段PVC管作为代替件，机器随后便又翱翔天空了。无人车的转向键槽长时间磨损，我请机械师帮我加工一个铁块键后，就让无人车再次驰骋雪原。无人艇在经历过极区的全天候低温以及大型海冰撞击后，全靠我们扎着油桶筏完成了对它的回收，我还使用汽油机完成了无人艇的“电”改“油”。南极科考“特种兵”炼成了。

责任编辑：张琦