毅力號(hào)發(fā)射倒計(jì)時(shí)：著陸時(shí)將使用迄今最精準(zhǔn)的火星地圖

憑借著迄今為止最先進(jìn)的火星地圖，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）的 “毅力號(hào)”（Perseverance）火星漫游車在著陸過(guò)程中將有能力識(shí)別并避免危險(xiǎn)，對(duì)這顆紅色星球展開(kāi)探索。

毅力號(hào)是 NASA 耗資 27 億美元的 “火星 2020”任務(wù)的核心部分，定于 7 月 30 日從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角的空軍基地發(fā)射升空。如果一切按計(jì)劃進(jìn)行，這臺(tái)和小汽車差不多大的火星車將于 2021 年 2 月 18 日降落在火星的杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）內(nèi)。

杰澤羅隕石坑寬約 45 公里，在古代曾存在過(guò)一個(gè)湖泊和一個(gè)三角洲，這使它成為毅力號(hào)尋找生命、采集樣本的理想目的地。這個(gè)隕石坑的地形崎嶇不平，尤其是在三角洲區(qū)域。因此，盡管任務(wù)研究人員對(duì)該區(qū)域非常感興趣，但對(duì)工程師來(lái)說(shuō)這又是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。他們首要的任務(wù)就是讓這個(gè) 6 輪機(jī)器人安全降落。

“火星 2020”任務(wù)采用了多項(xiàng)新技術(shù)來(lái)迎接這一挑戰(zhàn)，其中最重要的一項(xiàng)技術(shù)是 “地形相對(duì)導(dǎo)航”（Terrain-Relative Navigation，簡(jiǎn)稱 TRN），這將使任務(wù)在 “空中吊車”下降階段能評(píng)估杰澤羅隕石坑在著陸過(guò)程中的地形風(fēng)險(xiǎn)，并在必要時(shí)自動(dòng)改變航向。

▲美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）天體地質(zhì)科學(xué)中心利用 NASA 火星勘測(cè)軌道飛行器上的 “高分辨率成像科學(xué)設(shè)備”（HiRISE）捕捉到的圖像，生成了一幅火星杰澤羅隕石坑的數(shù)字地形模型圖像。這里展示的是拼接圖像的一部分，該圖像將作為基礎(chǔ)地圖，用來(lái)顯示火星地表的危險(xiǎn)之處。在 NASA 的 “毅力號(hào)”火星車上，該地圖將被用于 “地形相對(duì)導(dǎo)航”系統(tǒng)，以幫助確定最終在杰澤羅隕石坑中安全著陸的位置。

這項(xiàng)新技術(shù)就用到了開(kāi)創(chuàng)性的地圖學(xué)成果。利用 NASA 火星勘測(cè)軌道飛行器獲得的圖像，美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局的研究人員繪制了兩幅地圖?！盎鹦?2020”任務(wù)的攝像頭將比較火星表面的圖像和地圖，決定如何在最安全的地方著陸。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局繪制的這兩幅地圖中，一幅地圖的分辨率為每像素 25 厘米，精確指出了杰澤羅隕石坑中古三角洲附近的著陸點(diǎn)周圍的危險(xiǎn)，該地圖也將作為任務(wù)行動(dòng)的基礎(chǔ)地圖。另一幅地圖是更傳統(tǒng)的地表結(jié)構(gòu)圖，分辨率為每像素 6 米。

“火星 2020”任務(wù)將于明年 2 月在穿越火星紅色天空時(shí)拍攝到杰澤羅隕石坑的圖片。隨后，它搭載的 TRN 系統(tǒng)將把這些圖像與校準(zhǔn)的地圖進(jìn)行比較，方法類似于面部識(shí)別軟件所采用的技術(shù)。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天體地質(zhì)科學(xué)中心的地球物理學(xué)研究人員羅賓 · 費(fèi)加森說(shuō)：“然后它可以識(shí)別，‘我們是否降落在一個(gè)紅色像素上？’如果是的話，就發(fā)射反向火箭，盡可能地導(dǎo)航到最近的綠色像素?！?/p>

“火星 2020”任務(wù)必須在沒(méi)有任何人類幫助的情況下做出這樣的決定。在著陸當(dāng)天，火星與地球的距離約 2.09 億公里，這意味著任務(wù)控制中心發(fā)出的信號(hào)到達(dá)毅力號(hào)需要 11 分鐘以上。火星車的整個(gè)進(jìn)入、下降和著陸（entry，descent and landing，簡(jiǎn)稱 EDL）過(guò)程將持續(xù) 7 分鐘。TRN 技術(shù)應(yīng)該會(huì)使 “火星 2020”任務(wù)的 “恐怖 7 分鐘”著陸過(guò)程不那么恐怖。

▲美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局天體地質(zhì)科學(xué)中心利用 NASA 火星勘測(cè)軌道飛行器的 “背景攝影機(jī)”（CTX）拍攝的圖像，制作了這幅火星杰澤羅隕石坑的拼接圖像。該產(chǎn)品搭載在毅力號(hào)火星車上，作為 “真實(shí)”數(shù)據(jù)集。在 2021 年 2 月 18 日的進(jìn)入、下降和著陸過(guò)程中，毅力號(hào)的 “地形相對(duì)導(dǎo)航”系統(tǒng)將使用該數(shù)據(jù)集對(duì)自身進(jìn)行相對(duì)于火星表面的定位。

在美國(guó)國(guó)家航空航天局于 2019 年發(fā)布的一段關(guān)于 TRN 的視頻中，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）的 “火星 2020”任務(wù)引導(dǎo)及控制工程師斯瓦蒂 · 莫漢說(shuō)：“如果我們沒(méi)有地形相對(duì)導(dǎo)航（TRN），安全降落在杰澤羅隕石坑的概率大約是 80% 到 85%。但對(duì)于‘火星 2020’，我們可以把每次安全降落在杰澤羅隕石坑的概率提高到 99%。”噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室建造了毅力號(hào)，開(kāi)發(fā)了 TRN 系統(tǒng)，并將負(fù)責(zé)該在火星上的任務(wù)操作。

美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局在這次火星任務(wù)中扮演的關(guān)鍵角色并不讓人感到驚訝。幾十年來(lái)，該機(jī)構(gòu)繪制了許多詳細(xì)的地外區(qū)域地圖。成立于 1963 年的太空地質(zhì)科學(xué)中心，目的就是在 NASA 的阿波羅任務(wù)之前繪制出月球表面地圖，并幫助宇航員進(jìn)行月球漫步訓(xùn)練。美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局局長(zhǎng)吉姆 · 雷利是前 NASA 宇航員，曾執(zhí)行過(guò)三次航天飛機(jī)任務(wù)，他說(shuō)：“那里有著悠久的歷史，并一直延續(xù)到今天?！?/p>在火星上精確著陸

“火星 2020”任務(wù)還將首次應(yīng)用一項(xiàng)名為 “距離觸發(fā)”（Range Trigger）的 EDL 技術(shù)，該技術(shù)包括更精確、更有針對(duì)性的降落傘部署。

“早期的任務(wù)是在航天器達(dá)到預(yù)定速度后盡可能早地部署降落傘。與此不同，‘火星 2020’任務(wù)的‘距離觸發(fā)’技術(shù)是基于航天器相對(duì)于預(yù)期著陸目標(biāo)的位置來(lái)部署降落傘，”NASA 官員在一份對(duì)任務(wù) EDL 技術(shù)的描述中寫(xiě)道，“‘距離觸發(fā)’策略可以使‘火星 2020’毅力號(hào)火星車更接近科學(xué)家最想研究的著陸點(diǎn)，可以將火星車到主要工作地點(diǎn)的行駛時(shí)間減少一年之多?！?/p>

“火星 2020”任務(wù)將通過(guò)空中吊車系統(tǒng)將毅力號(hào)降落在杰澤羅隕石坑的地面，完成 EDL 過(guò)程操作。這種方式并不新奇，2012 年，毅力號(hào)的前身 “好奇號(hào)”火星探測(cè)器就利用該技術(shù)安全降落在蓋爾隕石坑。不過(guò)，空中吊車著陸是如此引人注目且具有科幻色彩，在任何關(guān)于 “火星 2020”任務(wù)著陸技術(shù)的討論中都值得提及。

毅力號(hào)在著陸后也將測(cè)試一些新的技術(shù)。比如，毅力號(hào)搭載一臺(tái)名為 “MOXIE”的儀器，將在二氧化碳占主導(dǎo)的火星稀薄大氣中產(chǎn)生氧氣，為其他能幫助宇航員探索這顆紅色星球的設(shè)備鋪平道路。一架名為 “獨(dú)創(chuàng)號(hào)”（Ingenuity）的小型直升機(jī)將隨毅力號(hào)前往火星，并將在那里成為第一架在地球以外世界中飛行的旋翼飛行器。

當(dāng)然，“火星 2020”首先是一項(xiàng)科學(xué)任務(wù)。著陸后，毅力號(hào)的主要任務(wù)將包括尋找古代火星生命痕跡，詳細(xì)描述杰澤羅隕石坑的地質(zhì)特征，并收集和保存樣本，以備將來(lái)返回地球。一項(xiàng)由 NASA 和歐洲空間局（ESA）合作的任務(wù)將把這些原始的火星物質(zhì)帶回地球，可快最早在 2031 年。