NASA毅力号直播攻略来了万字长文详解

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来源：虎嗅网

本文来源：学术头条，作者：学术头条，编辑：曹绮桐、刘艺馨、周子嫄，头图来自：视觉中国

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 　　“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（LakeBraddockSecondarySchool）的亚历克斯马瑟（AlexMather）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。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年登录火星。好奇号发现，它的着陆点盖尔陨石坑（GaleCrater）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IsidisPlanitia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英里（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“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“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“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“Exploreasone”，还有三个硅芯片，上面有大约万人的名字，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。

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。年，实现了以可控的方式飞行，并在年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。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VaneezaRupani最初为火星号火星车命名“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PhilipTwu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LarryMatthies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米，毅力号每天可以行驶米左右，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MinalSawant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。

但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火星年重磅大戏，我们拭目以待。

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