突破火星的成像技術(shù)

當(dāng)世界其它地區(qū)還在談?wù)撟詣玉{駛汽車時，美國宇航局(NASA)最近就將一輛自動駕駛車在另一星球登陸！2021年2月18日，2020火星任務(wù)將毅力號(Perseverance)火星漫游車安全運(yùn)送到火星表面。全世界都在觀看毅力號進(jìn)入火星大氣層、降落并最終著陸，盡管觀看的影像并非是實(shí)時的。

進(jìn)入、降落、著陸的過程 (稱為EDL)是全自主的。當(dāng)時在該火星漫游車發(fā)送傳送信息和任務(wù)控制接收信號之間的延遲約11分鐘。

以前的任務(wù)也面臨著相同的挑戰(zhàn)，前往火星的所有任務(wù)中只有約40％成功著陸。就憑這一點(diǎn)就證明毅力號是成功的，更令人驚訝的是該火星漫游車是首個在降落過程中主動完成導(dǎo)航的任務(wù)。它使用了一個為2020火星任務(wù)開發(fā)的新系統(tǒng)：地形相對導(dǎo)航(Terrain-Relative Navigation)。

圖：毅力號的降落傘仰視攝像機(jī)A

圖片來源：NASA / JPL-Caltech

以前的任務(wù)使用進(jìn)入火星大氣層之前收集的數(shù)據(jù)來確定著陸的位置。估計誤差高達(dá)3公里，這意味著以前的火星漫游車不得不花幾天甚至幾周的時間才能從著陸點(diǎn)到達(dá)具有科學(xué)意義的區(qū)域。這也意味著以前選擇的著陸區(qū)并不是出于科學(xué)意義，而是因?yàn)樗鼈兲峁┝讼鄬ζ椒€(wěn)的著陸。試圖讓一輛“盲目的(blindfolded)”火星漫游車著陸實(shí)在太困難了，內(nèi)載技術(shù)使用現(xiàn)有的傳感器也不能補(bǔ)償。使用圖像傳感器提供著陸的實(shí)時視頻，使降落不再盲目。

借助“地形相對導(dǎo)航”技術(shù)將大不一樣。這意味著火星漫游車現(xiàn)在可瞄準(zhǔn)更具挑戰(zhàn)性的著陸區(qū)，因?yàn)樗筛玫乜刂破鋵?shí)際降落的位置。這就是NASA能讓毅力號在Jezero Crater著陸的方式。這也意味著未來的火星漫游車將更自由，可降落在它們想要降落的位置，而不僅是它們可到達(dá)的地方。

該火星漫游車導(dǎo)航到地面的方式是拍攝地形圖像并將其與車內(nèi)存儲的圖像庫進(jìn)行比較。識別圖像中的地標(biāo)，并將其用于導(dǎo)向和導(dǎo)航。然后，EDL系統(tǒng)可用其已知位置來查詢另一個地圖區(qū)域庫，以導(dǎo)航到其目的地。如果確定不在預(yù)期的位置，甚至可在下降過程中調(diào)整位置。

這是火星任務(wù)技術(shù)的一項(xiàng)巨大進(jìn)步，由基于圖像傳感器的相機(jī)賦能，這些圖像傳感器都是商用現(xiàn)貨(COTS)元器件。使用COTS技術(shù)是NASA戰(zhàn)略的一部分。

毅力號共有23只攝像機(jī)，其中19只裝在該火星漫游車上，其中16只供其在地面上時使用。其余的7只攝像機(jī)，同時裝在該火星漫游車和頂部飛行器上，主要用于支持旅程的EDL階段。在這7只攝像機(jī)中，有6只采用了安森美半導(dǎo)體提供的圖像傳感器。

圖：毅力號在下降到火星的過程中使用其降落傘仰視攝像機(jī)A捕獲的圖像。

圖片來源：NASA / JPL-Caltech

來自這些攝像機(jī)中的一些錄像已被瀏覽了幾百萬次。Nasa提供了該任務(wù)的EDL階段的錄像。3只攝像機(jī)中的降落傘仰視攝像機(jī)(PUC)降落傘純粹用于觀察降落時降落傘的打開。所提供的信息和情報將影響未來的任務(wù)。降落傘展開后，PUC攝像機(jī)以75 幀/秒 (fps)的速度運(yùn)行約35秒，然后在下降的其余時間切換到30 fps。另外兩只攝像機(jī)分別稱為漫游車仰視攝像機(jī)(RUC)和漫游車俯視攝像機(jī)(RDC)，提供了類似的信息，并且在整個EDL期間都以30 fps的速度運(yùn)行。

圖：毅力號在下降過程中，由漫游車仰視攝像機(jī)捕獲的圖像

圖片來源：NASA / JPL-Caltech

PUC、RUC和RDC中使用的傳感器是PYTHON1300，它是130萬像素、1/2 英寸 CMOS圖像傳感器，具有1280 x 1024像素。在“恐怖7分鐘”中，所有3只攝像機(jī)共拍攝了超過27,000張圖像。

現(xiàn)在位于火星上的第6個安森美半導(dǎo)體圖像傳感器是PYTHON5000，這是個530萬像素的圖像傳感器，占位1英寸，像素陣列為2592 x 2048像素。該傳感器用在著陸器視覺系統(tǒng)(Lander Vision System)中，稱為LCAM。該攝像機(jī)的視場為90°x 90°，并為車載地圖“地形相對導(dǎo)航”定位系統(tǒng)提供輸入。

如果沒有這些攝像機(jī)或其中的圖像傳感器，那么毅力號就不可能準(zhǔn)確地著陸。過去的成功體現(xiàn)這些攝像機(jī)或其中的圖像傳感器的性能。可以說，如果沒有攝像機(jī)，那么地形相對導(dǎo)航系統(tǒng)就不能運(yùn)行，且NASA能用攝像機(jī)探索火星的全新區(qū)域。該區(qū)域可能提供火星上微生物生活的證據(jù)，這是任何人都可慶祝的，無論是否參與某種程度的任務(wù)。

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