毅力号发射倒计时:着陆时将使用迄今最精准的火星地图

2020/7/29 14:47:46 来源:新浪科技 作者:任天 责编:远洋

凭借着迄今为止最先进的火星地图,美国国家航空航天局(NASA)的 “毅力号”(Perseverance)火星漫游车在着陆过程中将有能力识别并避免危险,对这颗红色星球展开探索。

毅力号是 NASA 耗资 27 亿美元的 “火星 2020”任务的核心部分,定于 7 月 30 日从佛罗里达州卡纳维拉尔角的空军基地发射升空。如果一切按计划进行,这台和小汽车差不多大的火星车将于 2021 年 2 月 18 日降落在火星的杰泽罗陨石坑(Jezero Crater)内。

杰泽罗陨石坑宽约 45 公里,在古代曾存在过一个湖泊和一个三角洲,这使它成为毅力号寻找生命、采集样本的理想目的地。这个陨石坑的地形崎岖不平,尤其是在三角洲区域。因此,尽管任务研究人员对该区域非常感兴趣,但对工程师来说这又是一个严峻的挑战。他们首要的任务就是让这个 6 轮机器人安全降落。

“火星 2020”任务采用了多项新技术来迎接这一挑战,其中最重要的一项技术是 “地形相对导航”(Terrain-Relative Navigation,简称 TRN),这将使任务在 “空中吊车”下降阶段能评估杰泽罗陨石坑在着陆过程中的地形风险,并在必要时自动改变航向。

▲美国地质调查局(USGS)天体地质科学中心利用 NASA 火星勘测轨道飞行器上的 “高分辨率成像科学设备”(HiRISE)捕捉到的图像,生成了一幅火星杰泽罗陨石坑的数字地形模型图像。这里展示的是拼接图像的一部分,该图像将作为基础地图,用来显示火星地表的危险之处。在 NASA 的 “毅力号”火星车上,该地图将被用于 “地形相对导航”系统,以帮助确定最终在杰泽罗陨石坑中安全着陆的位置。

这项新技术就用到了开创性的地图学成果。利用 NASA 火星勘测轨道飞行器获得的图像,美国地质调查局的研究人员绘制了两幅地图。“火星 2020”任务的摄像头将比较火星表面的图像和地图,决定如何在最安全的地方着陆。

详细且精准的火星地图

美国地质调查局绘制的这两幅地图中,一幅地图的分辨率为每像素 25 厘米,精确指出了杰泽罗陨石坑中古三角洲附近的着陆点周围的危险,该地图也将作为任务行动的基础地图。另一幅地图是更传统的地表结构图,分辨率为每像素 6 米。

“火星 2020”任务将于明年 2 月在穿越火星红色天空时拍摄到杰泽罗陨石坑的图片。随后,它搭载的 TRN 系统将把这些图像与校准的地图进行比较,方法类似于面部识别软件所采用的技术。

美国地质调查局天体地质科学中心的地球物理学研究人员罗宾 · 费加森说:“然后它可以识别,‘我们是否降落在一个红色像素上?’如果是的话,就发射反向火箭,尽可能地导航到最近的绿色像素。”

“火星 2020”任务必须在没有任何人类帮助的情况下做出这样的决定。在着陆当天,火星与地球的距离约 2.09 亿公里,这意味着任务控制中心发出的信号到达毅力号需要 11 分钟以上。火星车的整个进入、下降和着陆(entry,descent and landing,简称 EDL)过程将持续 7 分钟。TRN 技术应该会使 “火星 2020”任务的 “恐怖 7 分钟”着陆过程不那么恐怖。

▲美国地质调查局天体地质科学中心利用 NASA 火星勘测轨道飞行器的 “背景摄影机”(CTX)拍摄的图像,制作了这幅火星杰泽罗陨石坑的拼接图像。该产品搭载在毅力号火星车上,作为 “真实”数据集。在 2021 年 2 月 18 日的进入、下降和着陆过程中,毅力号的 “地形相对导航”系统将使用该数据集对自身进行相对于火星表面的定位。

在美国国家航空航天局于 2019 年发布的一段关于 TRN 的视频中,喷气推进实验室(JPL)的 “火星 2020”任务引导及控制工程师斯瓦蒂 · 莫汉说:“如果我们没有地形相对导航(TRN),安全降落在杰泽罗陨石坑的概率大约是 80% 到 85%。但对于‘火星 2020’,我们可以把每次安全降落在杰泽罗陨石坑的概率提高到 99%。”喷气动力实验室建造了毅力号,开发了 TRN 系统,并将负责该在火星上的任务操作。

美国地质调查局在这次火星任务中扮演的关键角色并不让人感到惊讶。几十年来,该机构绘制了许多详细的地外区域地图。成立于 1963 年的太空地质科学中心,目的就是在 NASA 的阿波罗任务之前绘制出月球表面地图,并帮助宇航员进行月球漫步训练。美国地质调查局局长吉姆 · 雷利是前 NASA 宇航员,曾执行过三次航天飞机任务,他说:“那里有着悠久的历史,并一直延续到今天。”

在火星上精确着陆

“火星 2020”任务还将首次应用一项名为 “距离触发”(Range Trigger)的 EDL 技术,该技术包括更精确、更有针对性的降落伞部署。

“早期的任务是在航天器达到预定速度后尽可能早地部署降落伞。与此不同,‘火星 2020’任务的‘距离触发’技术是基于航天器相对于预期着陆目标的位置来部署降落伞,”NASA 官员在一份对任务 EDL 技术的描述中写道,“‘距离触发’策略可以使‘火星 2020’毅力号火星车更接近科学家最想研究的着陆点,可以将火星车到主要工作地点的行驶时间减少一年之多。”

“火星 2020”任务将通过空中吊车系统将毅力号降落在杰泽罗陨石坑的地面,完成 EDL 过程操作。这种方式并不新奇,2012 年,毅力号的前身 “好奇号”火星探测器就利用该技术安全降落在盖尔陨石坑。不过,空中吊车着陆是如此引人注目且具有科幻色彩,在任何关于 “火星 2020”任务着陆技术的讨论中都值得提及。

毅力号在着陆后也将测试一些新的技术。比如,毅力号搭载一台名为 “MOXIE”的仪器,将在二氧化碳占主导的火星稀薄大气中产生氧气,为其他能帮助宇航员探索这颗红色星球的设备铺平道路。一架名为 “独创号”(Ingenuity)的小型直升机将随毅力号前往火星,并将在那里成为第一架在地球以外世界中飞行的旋翼飞行器。

当然,“火星 2020”首先是一项科学任务。着陆后,毅力号的主要任务将包括寻找古代火星生命痕迹,详细描述杰泽罗陨石坑的地质特征,并收集和保存样本,以备将来返回地球。一项由 NASA 和欧洲空间局(ESA)合作的任务将把这些原始的火星物质带回地球,可快最早在 2031 年。

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关键词:火星毅力号

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