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標題:    期待下一個“尼爾?阿姆斯特朗”登陸火星:使Mars 2020火星探測器實現著陸     點閱:152   7/9/2019 3:26:13 PM

期待下一個“尼爾?阿姆斯特朗”登陸火星:使Mars 2020火星探測器實現著陸

期待下一個“尼爾?阿姆斯特朗”登陸火星:使Mars 2020火星探測器實現著陸

美國國家航空航天局(NASA)火星2020探測任務(Mars 2020)將通過一個自動領航系統幫助引導探測器在火星上安全著陸。

版權:NASA /加利福尼亞理工學院噴氣推進實驗室(JPL-Caltech)

當第一名宇航員尼爾?阿姆斯特朗(Neil Armstrong)登陸月球時,“靜海”(the Sea of Tranquility)抬頭相逢的景色,并不是阿波羅11號登月計劃的初衷。他們原本希望將登月艙“鷹”號(Eagle)送至一個幾乎沒有火山口、巖石和巨石的相對平坦的著陸地帶。相反,Armstrong透過他那小小的三角形指揮員窗口,看到了一塊巨石,這對登月艙來說是非常危險的。因此阿波羅11號的指揮官用機載電腦控制了登月艙的降落,駕駛“鷹”號飛躍巨石地帶,降落到一個之后被稱為“靜海基地”(Tranquility Base)的著陸地點。(注:“靜海基地”是Armstrong在登月之后為登月點起的名字)

位于加利福尼亞州帕薩迪納的噴氣推進實驗室的Al Chen,是NASA 火星2020探測任務中探測器進入、下降和著陸負責人,表示:“在阿波羅11號之前就已經有機器人登月,但此前從未有一艘航天器在下降到月球表面時能夠改變軌道以避開危險。”

Chen和火星2020探測任務的同事們已經有了無需通過火眼金睛的宇航員堅持不懈的幫助而實現火星著陸的經驗。但火星2020探測任務將面臨NASA迄今為止最大的火星挑戰。Jezero隕石坑是一個28英里寬(45公里)的凹坑,里面充滿了陡峭的懸崖、沙丘、巨石場和小型撞擊坑。任務團隊明白,如果要嘗試在Jezero隕石坑著陸,而且是在探測器搭載的有效載荷要比好奇號火星探測器多50%,而好奇號火星探測器是著陸在夏普山(Mount Sharp)附近一個適宜的地點的情況下,他們必須提高自己的水平。

Chen說:“我們需要的是一個像Neil Armstrong的宇航員登陸火星,我們可以利用地形相對導航(Terrain-Relative Navigation)系統。”

火星2020探測任務將面臨火星史上最具挑戰性的登陸。探測器將于2021年2月18日在Jezero隕石坑著陸,這是一個28英里寬(45公里)的廣闊區域,充滿了陡峭的懸崖、巨石場和其他可能威脅著陸的東西。一項被稱為“地形相對導航”(TRN)的新技術將允許探測器自動規避危險。這是最接近宇航員駕駛航天器的情形,這項技術將有利于未來的機器人和人類探索火星。

火星 2020探測器上搭載的“地形相對導航”(TRN)是一種自動領航系統,能夠在著陸過程中快速計算出探測器的位置,更重要的是可以計算出探測器將來降落在火星表面時的位置。探測器上搭載的電腦里儲存了一張Jezero隕石坑內的風險地圖,若計算出的著陸點被認為過于危險,TRN將通過指揮Mars 2020火星探測器的下降階段使探測器飛到可實現的最安全的著陸點。

TRN系統由兩部分組成

將阿波羅登月艙降落在月球上需要兩名宇航員(Armstrong讓Buzz Aldrin提供他們飛行軌跡的信息)。同樣地,TRN實際上是由兩個系統共同工作:著陸器視覺系統(Lander Vision System)和安全目標選擇系統(Safe Target Selection system)。

Mars 2020火星探測器制導導航和控制子系統經理安德魯?約翰遜(Andrew Johnson)表示:“TRN的前半部分是著陸器視覺系統系統(LVS),它決定了探測器在火星表面的位置。如果將LVS說得快一點,你就會明白為什么研究團隊的非官方吉祥物是埃維斯?普里斯利(Elvis Presley)。”

LVS的運行壽命總共25秒。它在約13000英尺(3960米)的高空開始運行,這就要求探測器上的攝像頭在仍然依靠降落傘降落的情況下,快速地拍下一張又一張火星表面的照片。LVS每秒仔細檢查一張圖像,將每張圖像分割成覆蓋面積約為5000英尺(1520米)的正方形。

期待下一個“尼爾?阿姆斯特朗”登陸火星:使Mars 2020火星探測器實現著陸

加利福尼亞州死亡谷(Death Valley)的一次測試飛行中,一架空客直升機攜帶著陸器視覺系統(LVS)的工程模型,該系統助于指導NASA下一次火星任務在紅色星球上的安全著陸。在飛行過程中,這架直升機(不是任務的一部分,僅用于測試)和兩名機組人員進行了預先計劃的一系列演習,而LVS則收集并分析了下方貧瘠山區的圖像。

版權:NASA /JPL-Caltech

然而,與Neil Armstrong不同的是,LVS的實時分析并沒有尋找特定的隕石坑邊緣或山頂。相反,在每一個正方形或地標中,系統會尋找由懸崖、隕石坑、巨石場和山脈等表面特征所創造的獨特的明暗對比模式。然后,它會將任何不常見的模式與內存中的地圖進行比較。當它在粗糙地標匹配模式下找到5個地標匹配成功時,會獲取另一幅圖像并重復該過程。

在成功三次實現圖像到地圖的比較后,LVS進入到精細地標匹配模式。這時,該系統將地表分割成410英尺(125米)寬的正方形,掃描獨特的圖案模式并將其與地圖進行比較。LVS要在仔細觀察圖像的一秒鐘內找到至少20個匹配之處,但通常會找到更多,甚至多達150處匹配,以便生成更加精確的Mars 2020火星探測器軌跡圖。

Johnson表示:“無論是在粗糙還是精細地標匹配模式中,每次在單幅圖像中都會進行適當數量的匹配,LVS會實時更新探測器當時所在的位置。更新后的信息隨即會被輸入安全目標選擇系統。”

TRN系統的第二部分利用LVS的定位解算,計算探測器將在哪里著陸并與另一張機載地圖進行比較。這幅地區圖描繪了著陸區域內被認為適合著陸的區域,或者是有隕石坑、懸崖邊、巨石或巖石場的區域。若標定的位置不適于著陸,安全目標選擇系統可以改變探測器的終點,使其著陸點移動多達2000英尺(600米)。

通過測試模擬火星著陸

雖然安全目標選擇系統操作可以在NASA噴氣推進實驗室范圍內的計算機測試臺上進行研究,但為了收集光學數據,研究小組需要走得更遠:直至莫哈韋沙漠(Mojave Desert)和死亡谷(Death Valley.)。

在2019年4月和5月的三周時間內,LVS附著在直升機前部進行了17次飛行,拍攝并處理了凱爾索沙丘(Kelso Dunes)、墻洞(Hole-in-the-Wall)、熔巖管(Lava Tube)、惡水(Badwater)盆地、帕納明特(Panamint)山谷和梅斯基特平沙丘(Mesquite Flat Sand Dunes )等與火星相似地形的一幅又一幅圖像。

Johnson表示:“我們一次又一次地飛行,模仿探測器的下降曲線。每次飛行過程中都進行了多次模擬,每次模擬基本上都是模仿在火星上著陸的情況。”

總而言之,在測試飛行中進行了相當于659次的火星著陸。

Chen表示:“數據表明TRN是有效果的。這是一件好事,因為Jezero隕石坑正是我們科學家想要著陸的地方。如果沒有TRN,探測器成功著陸在一個好位置的幾率約為85%。而有了TRN,我們有信心使該幾率上升到99%左右。”

但Chen也指出,登陸火星非常困難:任何太空機構向火星發射的所有任務探測器中,只有大約40%成功著陸。

Chen表示:“若想走得更遠,我們必須回顧過去,在這方面誰比第一個更好?在阿波羅11號發射35年后的一次采訪中,Neil Armstrong說道‘我認為我們非常努力地在做到不過度自信。因為一旦過于自信,就會有東西出現突然咬你一口。’”

考慮到這一點,2020火星探測任務TRN研究小組的工作要到2021年2月18日才會結束,即太平洋標準時間下午12點(美國東部時間下午3點)之后不久,屆時他們的火星探測器將降落在Jezero隕石坑上。但這也只是一個開始:地形相關導航系統的自動精確制導可能被證實對人類安全登陸月球和火星而言至關重要。TRN還有助于在月球和火星或者在未來探索的其他星球上,提前于人類宇航員通過多次降落實現設備投放。

噴氣推進實驗室正在為位于華盛頓的NASA科學任務理事會建造“Mars 2020”火星探測器并將管理其運行。

若想在NASA 2020火星探測任務中向火星發送你的名字,可以在2019年9月30日前發送。請將你的名字加入名單,并點擊以下鏈接領取前往火星的紀念登機牌:https://www.9900news.com/images/vimg/timg5/201907091526132.jpg

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