期待下一个“尼尔•阿姆斯特朗”登陆火星: 使Mars 2020火星探测器实现着陆

期待下一个“尼尔•阿姆斯特朗”登陆火星: 使Mars 2020火星探测器实现着陆

美国国家航空航天局(NASA)火星2020探测任务(Mars 2020)将通过一个自动领航系统帮助引导探测器在火星上安全着陆。
版权:NASA /加利福尼亚理工学院喷气推进实验室(JPL-Caltech)

当第一名宇航员尼尔•阿姆斯特朗(Neil Armstrong)登陆月球时,“静海”(the Sea of Tranquility)抬头相逢的景色,并不是阿波罗11号登月计划的初衷。他们原本希望将登月舱“鹰”号(Eagle)送至一个几乎没有火山口、岩石和巨石的相对平坦的着陆地带。相反,Armstrong透过他那小小的三角形指挥员窗口,看到了一块巨石,这对登月舱来说是非常危险的。因此阿波罗11号的指挥官用机载电脑控制了登月舱的降落,驾驶“鹰”号飞跃巨石地带,降落到一个之后被称为“静海基地”(Tranquility Base)的着陆地点。(注:“静海基地”是Armstrong在登月之后为登月点起的名字)

位于加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的Al Chen,是NASA 火星2020探测任务中探测器进入、下降和着陆负责人,表示:“在阿波罗11号之前就已经有机器人登月,但此前从未有一艘航天器在下降到月球表面时能够改变轨道以避开危险。”

Chen和火星2020探测任务的同事们已经有了无需通过火眼金睛的宇航员坚持不懈的帮助而实现火星着陆的经验。但火星2020探测任务将面临NASA迄今为止最大的火星挑战。Jezero陨石坑是一个28英里宽(45公里)的凹坑,里面充满了陡峭的悬崖、沙丘、巨石场和小型撞击坑。任务团队明白,如果要尝试在Jezero陨石坑着陆,而且是在探测器搭载的有效载荷要比好奇号火星探测器多50%,而好奇号火星探测器是着陆在夏普山(Mount Sharp)附近一个适宜的地点的情况下,他们必须提高自己的水平。

Chen说:“我们需要的是一个像Neil Armstrong的宇航员登陆火星,我们可以利用地形相对导航(Terrain-Relative Navigation)系统。”

火星2020探测任务将面临火星史上最具挑战性的登陆。探测器将于2021年2月18日在Jezero陨石坑着陆,这是一个28英里宽(45公里)的广阔区域,充满了陡峭的悬崖、巨石场和其他可能威胁着陆的东西。一项被称为“地形相对导航”(TRN)的新技术将允许探测器自动规避危险。这是最接近宇航员驾驶航天器的情形,这项技术将有利于未来的机器人和人类探索火星。

火星 2020探测器上搭载的“地形相对导航”(TRN)是一种自动领航系统,能够在着陆过程中快速计算出探测器的位置,更重要的是可以计算出探测器将来降落在火星表面时的位置。探测器上搭载的电脑里储存了一张Jezero陨石坑内的风险地图,若计算出的着陆点被认为过于危险,TRN将通过指挥Mars 2020火星探测器的下降阶段使探测器飞到可实现的最安全的着陆点。

TRN系统由两部分组成

将阿波罗登月舱降落在月球上需要两名宇航员(Armstrong让Buzz Aldrin提供他们飞行轨迹的信息)。同样地,TRN实际上是由两个系统共同工作:着陆器视觉系统(Lander Vision System)和安全目标选择系统(Safe Target Selection system)。

Mars 2020火星探测器制导导航和控制子系统经理安德鲁•约翰逊(Andrew Johnson)表示:“TRN的前半部分是着陆器视觉系统系统(LVS),它决定了探测器在火星表面的位置。如果将LVS说得快一点,你就会明白为什么研究团队的非官方吉祥物是埃维斯•普里斯利(Elvis Presley)。”

LVS的运行寿命总共25秒。它在约13000英尺(3960米)的高空开始运行,这就要求探测器上的摄像头在仍然依靠降落伞降落的情况下,快速地拍下一张又一张火星表面的照片。LVS每秒仔细检查一张图像,将每张图像分割成覆盖面积约为5000英尺(1520米)的正方形。

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期待下一个“尼尔•阿姆斯特朗”登陆火星: 使Mars 2020火星探测器实现着陆

加利福尼亚州死亡谷(Death Valley)的一次测试飞行中,一架空客直升机携带着陆器视觉系统(LVS)的工程模型,该系统助于指导NASA下一次火星任务在红色星球上的安全着陆。在飞行过程中,这架直升机(不是任务的一部分,仅用于测试)和两名机组人员进行了预先计划的一系列演习,而LVS则收集并分析了下方贫瘠山区的图像。
版权:NASA /JPL-Caltech

然而,与Neil Armstrong不同的是,LVS的实时分析并没有寻找特定的陨石坑边缘或山顶。相反,在每一个正方形或地标中,系统会寻找由悬崖、陨石坑、巨石场和山脉等表面特征所创造的独特的明暗对比模式。然后,它会将任何不常见的模式与内存中的地图进行比较。当它在粗糙地标匹配模式下找到5个地标匹配成功时,会获取另一幅图像并重复该过程。

在成功三次实现图像到地图的比较后,LVS进入到精细地标匹配模式。这时,该系统将地表分割成410英尺(125米)宽的正方形,扫描独特的图案模式并将其与地图进行比较。LVS要在仔细观察图像的一秒钟内找到至少20个匹配之处,但通常会找到更多,甚至多达150处匹配,以便生成更加精确的Mars 2020火星探测器轨迹图。

Johnson表示:“无论是在粗糙还是精细地标匹配模式中,每次在单幅图像中都会进行适当数量的匹配,LVS会实时更新探测器当时所在的位置。更新后的信息随即会被输入安全目标选择系统。”

TRN系统的第二部分利用LVS的定位解算,计算探测器将在哪里着陆并与另一张机载地图进行比较。这幅地区图描绘了着陆区域内被认为适合着陆的区域,或者是有陨石坑、悬崖边、巨石或岩石场的区域。若标定的位置不适于着陆,安全目标选择系统可以改变探测器的终点,使其着陆点移动多达2000英尺(600米)。

通过测试模拟火星着陆

虽然安全目标选择系统操作可以在NASA喷气推进实验室范围内的计算机测试台上进行研究,但为了收集光学数据,研究小组需要走得更远:直至莫哈韦沙漠(Mojave Desert)和死亡谷(Death Valley.)。

在2019年4月和5月的三周时间内,LVS附着在直升机前部进行了17次飞行,拍摄并处理了凯尔索沙丘(Kelso Dunes)、墙洞(Hole-in-the-Wall)、熔岩管(Lava Tube)、恶水(Badwater)盆地、帕纳明特(Panamint)山谷和梅斯基特平沙丘(Mesquite Flat Sand Dunes )等与火星相似地形的一幅又一幅图像。

Johnson表示:“我们一次又一次地飞行,模仿探测器的下降曲线。每次飞行过程中都进行了多次模拟,每次模拟基本上都是模仿在火星上着陆的情况。”

总而言之,在测试飞行中进行了相当于659次的火星着陆。

Chen表示:“数据表明TRN是有效果的。这是一件好事,因为Jezero陨石坑正是我们科学家想要着陆的地方。如果没有TRN,探测器成功着陆在一个好位置的几率约为85%。而有了TRN,我们有信心使该几率上升到99%左右。”

但Chen也指出,登陆火星非常困难:任何太空机构向火星发射的所有任务探测器中,只有大约40%成功着陆。

Chen表示:“若想走得更远,我们必须回顾过去,在这方面谁比第一个更好?在阿波罗11号发射35年后的一次采访中,Neil Armstrong说道‘我认为我们非常努力地在做到不过度自信。因为一旦过于自信,就会有东西出现突然咬你一口。’”

考虑到这一点,2020火星探测任务TRN研究小组的工作要到2021年2月18日才会结束,即太平洋标准时间下午12点(美国东部时间下午3点)之后不久,届时他们的火星探测器将降落在Jezero陨石坑上。但这也只是一个开始:地形相关导航系统的自动精确制导可能被证实对人类安全登陆月球和火星而言至关重要。TRN还有助于在月球和火星或者在未来探索的其他星球上,提前于人类宇航员通过多次降落实现设备投放。

喷气推进实验室正在为位于华盛顿的NASA科学任务理事会建造“Mars 2020”火星探测器并将管理其运行。

若想在NASA 2020火星探测任务中向火星发送你的名字,可以在2019年9月30日前发送。请将你的名字加入名单,并点击以下链接领取前往火星的纪念登机牌:https://go.nasa.gov/Mars2020Pass

如欲了解更多有关2020火星探测任务的信息,请浏览以下网页:https://mars.nasa.gov/mars2020/

来源:https://www.nasa.gov/feature/jpl/a-neil-armstrong-for-mars-landing-the-mars-2020-rover/

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