NASA“毅力”号即将发射,万字长文详解火星任务

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· 7月29日

北京时间 7 月 30 日(周四)下午 7:50,美国国家航空航天局(NASA)当下最先进的火星探测车——“毅力”号预计将从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地 41 号发射场发射升空。

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NASA“毅力”号即将发射,万字长文详解火星任务

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文丨学术头条,作者丨学术君,编辑丨曹绮桐 刘艺馨 周子嫄

美国太平洋时间 7 月 30 日上午 4:50/美国东部时间上午 7:50,也就是北京时间 7 月 30 日(周四)下午 7:50,美国国家航空航天局(NASA)当下最先进的火星探测车——“毅力”号预计将从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地 41 号发射场发射升空。

其任务是寻找形成于 35 亿年前的火星三角洲 Jezero 火山口上的古代微生物生命迹象,收集和存储可能包含外星生命最初证据地质样本,并有朝一日将其带回地球。预计火星着陆时间为 2021 年 2 月 18 日。

如果错过了 7 月 30 日的第一次发射时机,在接下来的三周时间里,即从 7 月 30 日持续到 8 月 15 日,每天都有大约两个小时的发射窗口,只不过每天发射窗口的时间都在变化。

一、直播攻略

7 月 29 日全天,卡纳维拉尔角和喷气推进实验室的 NASA 专家团队将直播发射倒计时及交流
直播地址:https://www.youtube.com/nasa

7 月 30 日,太平洋夏令时间凌晨 4 点/美国东部夏令时间上午 7 点,即北京时间 7 月 30 日下午 7 点,NASA 将进行发射任务实时报道,直播地址:
https://www.youtube.com/nasa
https://twitter.com/nasa
https://www.facebook.com/NASA
https://www.linkedin.com/company/nasa
https://www.twitch.tv/nasa
https://www.dailymotion.com/NASA
http://theta.tv/nasa

发射活动结束后,任务组成员将召开新闻发布会。
直播地址:https://www.youtube.com/nasa

注:时间表是初步的,随时可能更改。直播活动结束后,点播录制的视频也将在YouTube和Ustream页面上提供。

二、数据详解

发射总质量(包括火箭、“毅力号”火星车和“首创号”火星直升机):约 117 万磅(53.1 万公斤)

“毅力号”火星车探测器详解

质量:大约 2260 磅(1025 公斤)
尺寸:长约 10 英尺(不包括机械臂),宽 9 英尺,高 7 英尺(长 3 米,宽 2.7 米,高 2.2 米),机械臂长约 7 英尺(2.1 米)
载荷:130 磅(59 公斤),包括 7 台仪器:Mastcam-Z、火星环境动力学分析仪(MEDA)、火星氧气原位实验资源利用率(MOXIE)、行星 X 射线仪(PIXL)、火星地下实验雷达成像仪(RIMFAX)、扫描可居住环境的曼光谱仪(SHERLOC)和超级相机
样本采集系统:用于样本采集和表面分析的钻头,1 个 1.6 英尺(0.5 米长)长的内部样本处理臂和 43 个样本采集管
麦克风:1 个摄像头在超级摄像机上,1 个在月球车侧面,摄像用于公众观看,以及为随后的火星进入、下降和着陆提供分析资料
此外还有由美国能源部提供的多任务放射性同位素热电发电机(MMRTG),利用钚-238 的自然衰变产生约 110 瓦的稳定电流。当需求暂时超过 MMRTG 的电力输出水平时,两种锂离子可充电电池可以满足火星车的峰值需求。

“首创号”火星直升机详解

质量: 4.0 磅(1.8 公斤)
高度: 1.6 英尺(0.49 米)
转子系统:两条反向旋转的叶片,直径 4 英尺(1.2 米),转速大约在 2400 rpm
机身尺寸: 0.446 英尺、0.64 英尺、0.535 英尺(13.6 厘米,19.5 厘米,16.3 厘米);四条支撑架,每条支撑架约 1.26 英尺(0.384 米)长,使直升机在地面上有0.427 英尺(0.13 米)的净空距离。
相机系统详解

“毅力号”将携带 25 台相机前往火星,这是深空探索史上最大规模的一次。

火星车上共 19 台摄像头:9 台工程用(彩色)摄像机;3 个用来辅助火星车的进场、下降、着陆(其中,1 个是黑白摄像头,用于地形相对导航,2 个是彩色摄像头,用于进场下降着陆,公众视频传播,以及工程改造);2 个全景摄像机(支持彩色和放大);1个超级相机(彩色);2 个拉曼和荧光光谱仪;1 个行星 X 射线仪(黑白,有一些彩色功能);1 个火星环境动力学分析仪(黑白)背面 3 个摄像头,彩色,用于抬头捕捉降落伞画面;降落台上有一个摄像头,彩色,从上面俯瞰月球车;2 台独创性相机,1 个彩色斜视地形图像和 1 个黑白导航。

其它数据

登陆火星时间: 暂定于 2021 年 2 月 18 日,美国东部时间下午 3:30(太平洋标准时间下午 12:30);
着陆地点:Jezero 陨石坑,大约纬度 18 度,经度 77 度;
光(无线电)从火星到地球的单向时长:2021 年 2 月 18 日时大约为 10.5 分钟;
任务持续时间:至少 1 火星年(约地球上的 687 天);
能够收集的样本数量:至少 30 个;
“首创号”飞行测试时间:30 火星天(约地球上的 31 天);
火星尺寸:大约是地球的一半,但是月球的两倍;
火星质量: 约地球质量的 10%;
火星重力:约地球重力的 38%;
火星轨道:椭圆轨道,比地球离太阳远 1.5倍 (从太阳到火星平均约 1.415 亿英里或 2.277 亿公里);
1个火星年:地球上的 687 天;
1个火星日:24 小时 39 分钟;
火星大气:大约地球表面大气密度的 1%;
火星温度:表面平均温度为零下 64 华氏度(零下 53 摄氏度),从极地夜间的零下 199 华氏度(零下 128 摄氏度)到赤道正午距离太阳最近的 80 华氏度(27 摄氏度);

资金投入数据

美国宇航局已经投资了大约 24 亿美元来建造和发射火星 2020 毅力号任务。在执行主要任务期间,着陆和运行“毅力号”火星车的费用大约是 3 亿美元。

美国国家航空航天局已经投资了大约 8000 万美元来建造火星直升机,并投资了大约 500 万美元来运营这架直升机。

三、任务详解

火星 2020 任务的关键阶段是发射、巡航、到达(也称为进入、下降和着陆),以及火星表面操作。

在为期至少一个火星年(约 687 个地球日)的主要任务期间,“毅力”号对耶泽洛陨石坑的探测将解决火星探测的高度优先科学目标,包括有关火星上生命潜力的关键问题。

火星车的天体生物学任务将搜寻古代微生物生命的迹象,描述地球的气候和地质特征,并为将来返回地球收集样本。毅力号还将收集有关应对未来人类火星探险挑战的技术知识,并证明其可行性。

作为一项技术演示,一架别具匠心的火星直升机也将贴着毅力号火星车的腹部,沿着火星飞行。

为什么要在这个发射期?

火星离地球非常遥远,是月球与地球距离的数百倍,目前最先进的探测器从地球飞到火星,大约需要七八个月。而又因为地球和火星都在围绕太阳运转,两者的相对位置不断变化,所以当它们距离最近时,即太阳、地球和火星同处一条直线上,此时发射探测器更加“经济”。

地球与火星的这个会合周期是 26 个月,所以每 26 个月会出现一次“宝贵”的火星探测发射窗口期。

2020 年有短短几周时间,太阳、地球和火星成一条直线,地球与火星之间的距离最短,不到 5400 万公里,是火星探测器发射的最佳时机,如果错过这种情况直到 2022 年才会再次出现。

在可能的日期范围内选择发射周期的一个优先事项,是在着陆过程中优先考虑通信,这种时间安排的目的是使轨道飞行器能够接收到来自航天器的无线电信号,在其降落大气层和着陆过程中,这样工程师们就可以知道每个阶段发生了什么。

发射

美国联合发射联盟(ULA)Atlas V 541 两级运载火箭将从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军站的41号发射场发射火星 2020 号飞船。运载火箭代号中的数字“541”表示一个 5 米(17 英尺)的短有效载荷整流罩、4 个固体火箭助推器和 1 个单引擎的半人马座上层。飞船高 197 英尺(60 米)。

这将是“阿特拉斯”号火箭第 11 次发射火星,也是继 2005 年美国宇航局火星勘测轨道器、2011 年“好奇”号火星探测器、2013 年“马文”号轨道飞行器和 2018 年“洞察”号着陆器之后,阿特拉斯五号的第五次发射。

在发射后大约 50 至 60 分钟(取决于实际发射时间),火星 2020 号飞船将与运载火箭分离,独自完成剩余的火星之旅。

运载火箭的关键活动,事件时间取决于启动日期和时间

运载火箭的关键活动,事件时间取决于启动日期和时间

飞船将在发射后 70 到 90 分钟之间开始与地面通信(同样取决于发射时间)。通信时间的变化是由于每次发射时航天器在地球阴影中的时间。地球的阴影阻挡了光线到达航天器的太阳能电池板,太阳能电池板为通信无线电提供电力。任务控制员不想在飞船处于阴影中时打开收音机,因为这会在它们无法充电时耗尽电池。

行星际巡航

从地球到火星的飞行距离约为 3.09 亿英里(4.97 亿公里),约需 213 天,这便是任务的巡航阶段。

巡航阶段从航天器与运载火箭分离时开始。在巡航期间,“毅力”号火星车及其下降平台被保护在一个被称为“空气外壳”的太空舱内;该外壳连接在一个圆盘状的太阳能巡航平台上。

在巡航期间,工程师们执行一系列旨在检查航天器子系统和仪器的活动。在这一阶段,他们还进行了前三次“弹道修正机动”。火星飞船到达目的地的位置,是为飞船设计一个特定的飞行路线。

由于火箭的某些部分没有像航天器那样彻底清洁,火箭最初被指向一条不指向火星的轨道,以避免意外地将不需要的地球物质运送到这颗红色星球上。

火星着陆前的最后 45 天是进近阶段,主要集中在导航活动上。在这一阶段计划进行两次弹道修正机动,以便对进入目标进行最后的调整(如果需要)。

进入、下降和着陆

进入、下降和着陆(EDL)阶段开始于航天器到达火星大气层顶部时,速度约为 12100 英里/小时(19500 公里/小时)。大约 7 分钟后,EDL 结束,火星车停在火星表面。

大气进入

飞船进入大气层前 10 分钟,脱离巡航阶段。该航天器将利用一种称为“引导进入”的技术操纵其降落到火星大气层中,以缩小目标椭圆形状的火星着陆区域的大小,同时补偿火星大气密度的变化。在制导进入过程中,位于弹壳背面的小型推进器将调整升力的角度和方向,使航天器能够控制其飞行距离。
峰值加热发生在大气进入后约75秒,此时隔热罩外表面的温度将达到约 2370 华氏度(约 1300 摄氏度)。
毅力号正朝着美国宇航局迄今为止最大的火星登陆挑战前行。耶泽洛陨石坑是一个 28 英里宽(45 公里宽)的撞击盆地,有一个有趣的古老的三角洲,还有陡峭的悬崖边、沙丘、巨砾场和较小的撞击坑。为了确保安全着陆的最大概率,任务增加了新的 EDL 技术,即距离触发和地形相关导航。

着陆阶段

火星车应该在火星下午着陆——大约是当地平均太阳时下午 3:45(具体时间取决于实际发射日)。不久之后,火星车的计算机从进入、下降和着陆模式切换到地面模式。这启动了在红色行星表面的第一个火星日自主活动。

火星的一天,是 24 小时 39 分 35.244 秒。(毅力号团队成员倾向于在火星白天工作,而不是地球日,因为火星车将在火星白天工作,而在火星之夜“睡觉”。毅力号火星车的计划使用寿命为火星表面一年。

初检

“毅力”号的团队将在前 90 个 sol(火星日)上对探测器的所有部件和科学仪器进行测试。这段“检查”期确保了包括团队在内的一切准备就绪,可以进行地面作业。对于这 90 个 sol,操作团队将致力于火星时间,这意味着他们将把时钟设置为火星日(比地球日长约 40 分钟)。这使他们能够快速响应漫游者在其工作日中遇到的任何问题,并确保修订后的说明已准备好用于下一个 sol。

在火星时间上工作也意味着团队成员每天将开始时间推迟 40 分钟。最终,团队成员将在半夜醒来开始轮班。

在调试的前 16 个 sol 中,毅力号将:

  • 展开桅杆和高增益天线
  • 开始对着陆点进行成像
  • 升级月球车飞行软件
  • 对所有仪器进行健康检查
  • 表演“健美操”,松开手臂,测试它的动作
  • 进行短距离驾驶测试
  • 把肚盘放在漫游车下面,这样可以在着陆时保护直升机

整个调试阶段在着陆后大约30个sol结束,这取决于活动进行得如何。

直升机飞行试验

在这段时间内,毅力号需要找到一块平坦的区域,来作为“智慧”号火星直升机的停机坪。火星车将在这一区域的中心部署独创性,并驾驶一段安全距离。作为技术演示的一部分,直升机团队将有多达 30 架 SOL 在火星上进行一系列飞行试验。

地面作战

在这些实验直升机飞行结束后,毅力号将开始其表面操作阶段,届时该小组将执行其雄心勃勃的科学任务:寻找古代微生物生命的迹象,描述火星的气候和地质特征,并收集精心挑选和记录在案的样本,以备将来重返地球。

在为期一年的火星任务期间,火星车的活动将受到限制,例如 2021 年 9 月,太阳在火星和地球之间出现,干扰了两个行星之间的传输,这将导致火星车的活动受到限制。为了在现有的时间内最大限度地进行科学研究,任务小组提前计划了行动计划,并在科学家研究数据时增加了应对新发现的灵活性。

四、关于毅力号火星车

“毅力号”探测车是在美国宇航局在南加州的喷气推进实验室建造的,里面装载了先进的科学仪器、用于着陆的超强计算能力和其他新研发的系统。截至目前,“毅力”号是美国宇航局建造的最大、最重的火星探测器。

1. “毅力号”之毅力精神

事实上,毅力号相关的概念研究和早期技术工作早在 10 年前就开始了。

登陆另一颗行星、寻找古代生命的迹象、收集样本,每一项任务都将非常困难。这些挑战正是美国宇航局在“为火星车命名”竞赛中从 28000 个候选名字中选择“毅力”这个名字的原因。特别是在冠状病毒大流行期间,启动前的几个月需要创造性地解决团队合作问题。

正如弗吉尼亚州伯克布拉多克湖中学(Lake Braddock Secondary School)的亚历克斯马瑟(Alex Mather)在获奖文章中所写的那样,“我们是一种探索者,在通往火星的路上,我们将遭遇许多挫折。然而,我们可以坚持下去。我们,不是作为一个国家,而是作为人类,不会放弃。”

2. 建立在前浪们的经验之上

美国宇航局在火星上的第一个探测车叫索杰纳,只有一个微波炉大小。1997 年索杰纳号火星车进行了人类历史上第一次在火星表面和地球系统以外的巡视探测。

之后的火星探测车,勇气号和机遇号,都是高尔夫球车的大小,在 2004 年着陆后,他们发现了火星在变成冰冻沙漠之前曾有水存在的证据。

和汽车差不多大小的好奇号探测器于 2012 年登录火星。好奇号发现,它的着陆点盖尔陨石坑(Gale Crater)在数十亿年前曾是一个湖泊,那里的环境可能曾支持过微生物生命。

所以,毅力号的目标就是迈出下一步,寻求回答天体生物学的一个关键问题:火星上是否有过去微生物生命的潜在迹象,或生命特征?

3.将在极有可能发现生命存在迹象的地方着陆

杰洛陨石坑是一个 28 英里宽(45 公里宽)的陨石坑,位于 Isidis Planitia 的西部边缘,火星赤道以北,是一个巨大的撞击盆地。而科学家推测,在遥远的过去,这个陨石坑可能是一个绿洲。

在 30 亿到 40 亿年前,那里有一条河流流入一个像太浩湖那么大的水体,沉积着富含碳酸盐矿物和粘土的沉积物。“毅力号”科研小组认为,这个古老的河流三角洲可能积聚并保存了有机分子和其他潜在的微生物生命迹象。

4. 收集关于火星地质和气候的重要数据

火星轨道飞行器一直在杰洛陨石坑上方约 200 英里(322 公里)处收集图像和数据,但要想在火星表面找到古代生命的迹象,还需要更近距离的观察。

所以就需要流浪者般的毅力,前往了解火星过去的气候条件,解读火星岩石中埋藏的地质历史。这一任务将使科学家对火星在遥远的过去是什么样子有更丰富的了解,研究这颗红色星球的地质和气候,也能让我们了解为什么地球和火星——它们由相同的原始物质形成——最终却会如此不同。

5. 往返火星之旅的第一步

对火星上远古生命的验证需要大量的证据。而“毅力号”是第一个将样本储存系统带到火星的漫游者,该系统将为未来的任务带回有希望的样本。

与“好奇号”钻头所做的不同,“毅力号”的钻头将切割出一块粉笔大小的完整岩心,并将它们放入样管中。美国宇航局和欧洲航天局正在计划一项火星样本返回任务,在地球上检测这些样本将会提供更多关于它们的信息。

6. 为未来人类的月球和火星任务指明前路

在火星 2020“毅力号”任务中,将有利于人类探索的未来技术,包括火星车的地形相对导航系统。作为着陆系统的一部分,地形相对导航是毅力能够探索像杰洛陨石坑这样有趣的地方的主要原因。

它将使漫游者能够快速自主地了解其在火星表面的位置,并在下降过程中调整其轨迹。这项技术将能够为机器人和宇航员登陆月球的任务提供宝贵的帮助,并且是未来机器人和宇航员探索火星的必要条件。

工程师们还为毅力号开发了比其他任何火星车更强大的自动驾驶智能,使它在一天的运行中可以覆盖更多的地面,而无需等待地球上的工程师发送指令。这种能力(得益于升级的传感器、计算机和算法)将使其他航天器更有效地探索月球、火星和其他天体。

7. 每一个人的火星之旅

火星 2020“毅力号”任务携带的相机数量超过了历史上任何一次星际任务。“毅力号”上有 19 个摄像头,可以拍摄到令人惊叹的细节。与之前的火星任务一样,火星 2020“毅力号”任务计划在其网站上提供原始和处理过的图像。

本着公众参与的精神,“毅力号”火星车还携带了一个电化镀板,上面用莫尔斯电码写着“Explore as one”,还有三个硅芯片,上面有大约 1090 万人的名字,他们报名参加了毅力号的火星之旅。

五、关于“首创号”直升机

莱特兄弟发明了第一个在我们的世界上实现动力和控制飞行的飞行器,而“首创号”直升机研发团队期望他们的直升机将作为第一个在另一个世界飞行的飞行器。这款火星直升机只有 4 磅(1.8 公斤)重,但它单薄的身体却承载着勃勃雄心。

1. 独立的实验性飞行测试

“首创号”是所谓的技术示范,一个试图在有限范围内首次测试一种新能力的项目。

“首创号”特征主要表现在,四个特制的碳纤维螺旋桨排列成两个 4 英尺(1.2 米长)反向旋转的转子,转速大约 2400 转——大约是标准的地球直升机转速的8倍。

此外,在太阳能电池、航空电子、传感器、通信和算法方面拥有多项创新。但同时,它的许多其他部件都是商用的,比如来自智能手机领域的现成部件,包括两个摄像头、一个惯性测量单元(测量移动)、一个高度计(测量高度)、一个倾斜仪(测量倾斜角度)和计算机处理器。

当然,这架直升机不携带科学仪器,是与火星 2020 毅力号任务分离的飞行实验。

2. 第一架在另一个星球上飞行的飞机

火星的温度已经超越了刺骨的寒冷,杰洛陨石坑的夜晚冷到零下 130 华氏度(零下 90 摄氏度)。这样的温度将会达到现成零件的设计极限。在地球上进行的温度测试表明,它们应该能按照设计工作,但该团队期待在火星上进行真正的测试。“首创号”到达火星的第一个目标就是第一次在火星寒冷的夜晚继续正常工作。

火星的大气稀薄,密度只有地球大气的1%。由于火星大气的密度要小得多,所以“首创号”被设计得很轻,它的旋翼叶片则要大得多,旋转速度也比地球上的直升机要快得多。

不过,火星也给了直升机一点帮助:火星的重力只有地球的三分之一。这意味着在给定的自旋速率下,可以提升稍微多一点的质量。

此外,延迟则是在星际间与航天器通信的固有挑战,这意味着喷气推进实验室的飞行控制器将无法通过操纵杆控制直升机。因此,“首创号”必须自主飞行。飞行指令将提前发送,飞行的工程数据将在飞行完成后返回地球。

“首创号”将通过火星车进行通信,然后火星车与轨道飞行器进行通信,轨道飞行器又与地球进行通信。

3. 高超的工程技术

人类经历了很多尝试和错误才弄明白如何在地球上驾驶飞机或直升机。经过五年多的小心翼翼的努力, “首创号”的工程师们终于能够证明,制造出足够轻的东西,且可以在火星稀薄的大气层中产生足够的升力,是可能的。

2014 年,他们利用喷气推进实验室的一个特殊空间模拟室首次展示了一架直升机可以在火星稀薄的大气中起飞。2016 年,实现了以可控的方式飞行,并在 2018 年 1 月设计了一架具有火星所需全部功能的直升机测试模型。2019 年 1 月,该团队完成了直升机的试飞。

4.“首创号”的名字

来自阿拉巴马州诺斯波特的 Vaneeza Rupani 最初为火星 2020 号火星车命名“首创号”,但美国宇航局官员认为,考虑到团队在完成任务时所运用的创造性思维,这个名字很适合直升机。

“努力克服星际旅行挑战的人们的聪明才智,让我们所有人都能体验到太空探索的奇迹。”Rupani 写道,“创造力是让人们完成令人惊叹的事情的东西。”

鲁帕尼还赞许了火星车和直升机在太空探索领域的共同努力:“这不仅仅是决心的产物,它们是人类毅力和创造力的结合。”

5.成功的第一步

考虑到“首创号”需要完成的所有开创式任务,该团队还有一长串计划需要实行,里程碑的时刻包括:

在卡纳维拉尔角成功发射,巡航和着陆火星;
从“毅力号”火星车的引擎导流板安全降落到地面;
在火星极冷的夜晚自动维持温度;
用太阳能板自动充电;

最后,如果“首创号”的第一次飞行成功,直升机团队将在火星 30 天(地球 31 天)的时间内再进行 4 次试飞。

6. 未来的火星探索将向航空方向发展

“首创号”的目的是展示在火星大气中飞行所需的技术。如果成功,这些技术可能会使其他先进的机器人飞行器成为可能,这些飞行器可能会被包括在未来的机器人和人类火星任务中。

未来直升机在火星上的可能用途包括: 提供一种独特的视角,这是我们目前高空的轨道飞行器或地面上的火星车和着陆器无法提供的; 为机器人或人类提供高清图像和侦察; 以及进入火星车难以到达的地区。

而且未来的直升机甚至可以帮助将轻型但至关重要的有效载荷从一个地点运送到另一个地点。

六、毅力号的专用计算机

毅力号比 NASA 的前四辆火星车都具有更大自主性,其设计被 NASA 喷气推进实验室的机器人系统工程师 Philip Twu 称为“火星自动驾驶汽车”。

与地球上的人一样,毅力号使用一系列将数据反馈给机器视觉算法的传感器进行导航。从 1997 年开始,即使陆地自动驾驶汽车配备了最好的计算机,其主要计算机的速度与高端个人电脑仍差不多。毅力号的狭小大脑能够处理所有的自动驾驶,是因为 NASA 安装了第二台计算机,其作用类似于机器人驱动程序。

就像地球上的自动驾驶汽车一样,毅力号将使用一系列传感器将数据输入机器视觉算法中进行导航

在此前的火星漫游车上,导航软件必须与所有其他系统共享有限的计算资源。因此,为了从一个点到达另一个点,需要先拍摄一张照片了解周围环境,稍作驾驶,再停下来几分钟找出下一步的路线。但由于毅力号可以将许多视觉导航流程转移到专用计算机上,因此无需采取这种“走走停停”的方式进行火星探测。取而代之的是,它的主计算机可以弄清楚如何坚持不懈地到达目标位置,而机器视觉计算机可以确保其在途中不会遇到任何困难。

七、毅力号的机器视觉算法

自主行驶对于完成毅力号的使命至关重要。地球与火星之间的距离可以使无线电信号以光速传播长达 22 分钟以进行单程旅行。长时间的延迟将使其无法实时控制漫游车,且等待近一个小时的命令在火星与地球之间进行往返旅行也很不现实。

毅力号有一个紧凑的时间表,它需要从一架小型直升机上飞下来进行飞行测试,然后收集数十个岩石样本并在地面找到可以存放的地方。如果毅力号需要在一年中完成所有任务,它必须能够独立进行导航决策。

地面自动驾驶车辆通常使用激光确定物体位置以及与物体的距离,但激光雷达系统体积庞大,耗能高且容易发生机械故障。因此,毅力号将使用立体视觉和视觉测距法确定火星上的位置。立体视觉结合了来自“左摄像机”和“右摄像机”的两幅图像,以创建漫游车周围的3D图片,而视觉测距软件及时分析分离的图像,预估漫游车已移动了多远。

“我们担心激光雷达在太空飞行中的机械可靠性,”美国宇航局喷气推进实验室高级研究科学家兼计算机视觉小组主管 Larry Matthies 说。“几十年前,当激光雷达还不成熟时,我们就开始在喷气推进实验室使用立体视觉进行 3D 感知,效果还不错。”

Matthies 已帮助火星上的每辆漫游车建立视觉导航系统。除了 NASA 首次在火星上行驶的“旅居者”号(Sojourner)以外,其所有移动漫游车都将立体视觉与视觉测距法结合使用。但毅力号与众不同的地方在于,它有专用硬件和一套新颖的机器视觉算法。

八、技术挑战与解决方案

毅力号的新型数字眼镜能更快地自主导航周围环境,因此有更多时间专注于主要科学目标。但毅力号仍需要一整天时间才能达到树懒在一小时内可以覆盖的相同距离。所有火星漫游车一天中的最长行驶距离为 219 米,毅力号每天可以行驶 200 米左右,因此平均而言,毅力号已达到或超越此前的火星漫游车行驶记录。

由于火星没有磁场与浓厚的大气层,无法屏蔽来自太阳带电粒子的侵蚀,这些粒子会对计算机上造成严重破坏。它们会导致晶体管在不应有的情况下导通或关断,并且如果累积足够多的这些错误,将会导致计算机崩溃,甚至丢失宝贵的数据造成整个任务失败。因此NASA工程师会尽一切努力防止事故发生。

目前有很多技术可以使计算机不受辐射干扰。例如,可以添加其他难以导通和关断的晶体管。赛灵思公司(Xilinx)的空间系统架构师 Minal Sawant 为毅力号设计并制造了机器视觉芯片。根据赛灵思公司进行的资格测试,该芯片每年不发生超过两次的翻转错误,即离子导致存储在存储器中的信息量从一变为零。

保护处理器免受辐射会损害其性能。这与处理器的设计有关,也与测试组件的抗辐射能力花费很长时间相关。

NASA 2020 火星任务团队

Matthies 说:“即使硬件是完美的,算法也总是会犯错误。在计算机视觉中,存在离群值导致算法出错。因此,我们必须压倒这种可能性。”离群值可能包括漫游车看不到物体或将其误认为其他物体的情况。解决此问题的一种方法是从其他传感器获取漫游车的导航系统数据,让它不仅仅依靠视线来绕行。例如,陀螺仪和加速度计就可以帮助漫游车了解火星表面的坡度和粗糙度。

Twu 说:“系统越复杂,可以做出的决策类型就越多。这需要确保已经涵盖了漫游车可能遇到的所有可能情况,通过进行多次实际动手测试能发现算法中的不足之处。”

在巨大沙箱中排列巨石的方法有很多种。毅力号导航算法的大多数测试都在虚拟仿真中进行。通过在软件上投放所有可能场景,了解其在不同情况下的性能。虽然场景周围大多仍是混合(虚拟)岩石,但可以建模的景观类型和场景并没有真正限制。Twu 称,对视觉算法进行全面测试,加上漫游车引入的所有传感器数据,将使毅力号比其他任何火星漫游车更自如地在困难地形上导航。

即使是最完美的模拟,与真实物体相比也显得较为苍白。明年2月,毅力号降落在火星上时,将接受更严格的测试。

如果一切顺利,它所描绘的路径将引导我们找到地球以外生命存在的证据。

北京时间 7 月 30 日下午 7 点半,作为继天问一号火星探测任务发射之后的 2020 火星年重磅大戏,我们拭目以待。

直播地址:https://www.youtube.com/nasa毅力号,奥利给!

资料来源:https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/launch/
https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/launch/watch-online/
https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mars_2020/launch/quick_facts/
https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mars_2020/launch/
https://www.wired.com/story/how-nasa-built-a-self-driving-car-for-its-next-mars-mission/
https://www.nature.com/articles/d41586-020-02185-9
https://www.theverge.com/2020/7/28/21307109/nasa-mars-rover-perseverance-launch-date-alien-life
https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/robotic-exploration/ai-seeks-et-machine-learning-life-solar-system

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