萬字詳解NASA毅力號火星任務:尋找生命,開啟往返火星第一步

北京時間 7 月 30 日下午 7 點半，作為繼天問一號火星探測任務發射之後的 2020 火星年重磅大戲，我們拭目以待。

美國太平洋時間 7 月 30 日上午 4:50/美國東部時間上午 7:50，也就是北京時間 7 月 30 日（周四）下午 7:50，美國國家航空航天局（NASA）當下最先進的火星探測車——「毅力」號預計將從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍基地 41 號發射場發射升空。

其任務是尋找形成於 35 億年前的火星三角洲 Jezero 火山口上的古代微生物生命跡象，收集和存儲可能包含外星生命最初證據地質樣本，並有朝一日將其帶回地球。預計火星著陸時間為 2021 年 2 月 18 日。

如果錯過了 7 月 30 日的第一次發射時機，在接下來的三周時間裡，即從 7 月 30 日持續到 8 月 15 日，每天都有大約兩個小時的發射窗口，只不過每天發射窗口的時間都在變化。

一、直播攻略

7 月 29 日全天，卡納維拉爾角和噴氣推進實驗室的 NASA 專家團隊將直播發射倒計時及交流。

直播地址：https://www.youtube.com/nasa

7 月 30 日，太平洋夏令時間凌晨 4 點/美國東部夏令時間上午 7 點，即北京時間 7 月 30 日下午 7 點，NASA 將進行發射任務實時報導，直播地址：

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發射活動結束後，任務組成員將召開新聞發布會。

直播地址：https://www.youtube.com/nasa

註：時間表是初步的，隨時可能更改。直播活動結束後，點播錄製的視頻也將在YouTube和Ustream頁面上提供。

二、數據詳解

發射總質量（包括火箭、「毅力號」火星車和「首創號」火星直升機）：約 117 萬磅（53.1 萬公斤）

「毅力號」火星車探測器詳解

質量：大約 2260 磅（1025 公斤）

尺寸：長約 10 英尺（不包括機械臂），寬 9 英尺，高 7 英尺（長 3 米，寬 2.7 米，高 2.2 米），機械臂長約 7 英尺（2.1 米）

載荷：130 磅（59 公斤），包括 7 臺儀器：Mastcam-Z、火星環境動力學分析儀（MEDA）、火星氧氣原位實驗資源利用率（MOXIE）、行星 X 射線儀（PIXL）、火星地下實驗雷達成像儀（RIMFAX）、掃描可居住環境的曼光譜儀（SHERLOC）和超級相機

樣本採集系統：用於樣本採集和表面分析的鑽頭，1 個 1.6 英尺(0.5 米長)長的內部樣本處理臂和 43 個樣本採集管

麥克風：1 個攝像頭在超級攝像機上，1 個在月球車側面，攝像用於公眾觀看，以及為隨後的火星進入、下降和著陸提供分析資料

此外還有由美國能源部提供的多任務放射性同位素熱電發電機（MMRTG），利用鈽-238 的自然衰變產生約 110 瓦的穩定電流。當需求暫時超過 MMRTG 的電力輸出水平時，兩種鋰離子可充電電池可以滿足火星車的峰值需求。

「首創號」火星直升機詳解

質量:4.0 磅(1.8 公斤)

高度:1.6 英尺(0.49 米)

轉子系統：兩條反向旋轉的葉片，直徑 4 英尺(1.2 米)，轉速大約在 2400 rpm

機身尺寸:0.446 英尺、0.64 英尺、0.535 英尺(13.6 釐米，19.5 釐米,16.3 釐米)；四條支撐架，每條支撐架約 1.26 英尺(0.384 米)長，使直升機在地面上有0.427 英尺(0.13 米)的淨空距離。

相機系統詳解

「毅力號」將攜帶 25 臺相機前往火星，這是深空探索史上最大規模的一次。

火星車上共 19 臺攝像頭：9 臺工程用(彩色)攝像機；3 個用來輔助火星車的進場、下降、著陸(其中，1 個是黑白攝像頭，用於地形相對導航，2 個是彩色攝像頭，用於進場下降著陸，公眾視頻傳播，以及工程改造)；2 個全景攝像機(支持彩色和放大)；1個超級相機(彩色)；2 個拉曼和螢光光譜儀；1 個行星 X 射線儀(黑白，有一些彩色功能)；1 個火星環境動力學分析儀(黑白)

背面 3 個攝像頭：彩色，用於抬頭捕捉降落傘畫面

降落臺上有一個攝像頭：彩色，從上面俯瞰月球車

2 臺獨創性相機：1 個彩色斜視地形圖像和 1 個黑白導航

其它數據

登陸火星時間:暫定於 2021 年 2 月 18 日，美國東部時間下午 3:30(太平洋標準時間下午 12:30)

著陸地點：Jezero 隕石坑,大約緯度 18 度，經度 77 度

光（無線電）從火星到地球的單向時長：2021 年 2 月 18 日時大約為 10.5 分鐘

任務持續時間：至少 1 火星年(約地球上的 687 天)

能夠收集的樣本數量：至少 30 個

「首創號」飛行測試時間：30 火星天(約地球上的 31 天)

火星尺寸:大約是地球的一半，但是月球的兩倍。

火星質量:約地球質量的 10%

火星重力：約地球重力的 38%

火星軌道：橢圓軌道，比地球離太陽遠 1.5倍 (從太陽到火星平均約 1.415 億英裡或 2.277 億公裡)

1個火星年：地球上的 687 天

1個火星日：24 小時 39 分鐘

火星大氣：大約地球表面大氣密度的 1%

火星溫度：表面平均溫度為零下 64 華氏度(零下 53 攝氏度)，從極地夜間的零下 199 華氏度(零下 128 攝氏度)到赤道正午距離太陽最近的 80 華氏度(27 攝氏度)

資金投入數據

美國宇航局已經投資了大約 24 億美元來建造和發射火星 2020 毅力號任務。在執行主要任務期間，著陸和運行「毅力號」火星車的費用大約是 3 億美元。

美國國家航空航天局已經投資了大約 8000 萬美元來建造火星直升機，並投資了大約 500 萬美元來運營這架直升機。

三、任務詳解

火星 2020 任務的關鍵階段是發射、巡航、到達（也稱為進入、下降和著陸），以及火星表面操作。

在為期至少一個火星年（約 687 個地球日）的主要任務期間，「毅力」號對耶澤洛隕石坑的探測將解決火星探測的高度優先科學目標，包括有關火星上生命潛力的關鍵問題。

火星車的天體生物學任務將搜尋古代微生物生命的跡象，描述地球的氣候和地質特徵，並為將來返回地球收集樣本。毅力號還將收集有關應對未來人類火星探險挑戰的技術知識，並證明其可行性。

作為一項技術演示，一架別具匠心的火星直升機也將貼著毅力號火星車的腹部，沿著火星飛行。

為什麼要在這個發射期？

火星離地球非常遙遠，是月球與地球距離的數百倍，目前最先進的探測器從地球飛到火星，大約需要七八個月。而又因為地球和火星都在圍繞太陽運轉，兩者的相對位置不斷變化，所以當它們距離最近時，即太陽、地球和火星同處一條直線上，此時發射探測器更加「經濟」。

地球與火星的這個會合周期是 26 個月，所以每 26 個月會出現一次「寶貴」的火星探測發射窗口期。

2020 年有短短幾周時間，太陽、地球和火星成一條直線，地球與火星之間的距離最短，不到 5400 萬公裡，是火星探測器發射的最佳時機，如果錯過這種情況直到 2022 年才會再次出現。

在可能的日期範圍內選擇發射周期的一個優先事項，是在著陸過程中優先考慮通信，這種時間安排的目的是使軌道飛行器能夠接收到來自太空飛行器的無線電信號，在其降落大氣層和著陸過程中，這樣工程師們就可以知道每個階段發生了什麼。

發射

美國聯合發射聯盟（ULA）Atlas V 541 兩級運載火箭將從佛羅裡達州卡納維拉爾角空軍站的41號發射場發射火星 2020 號飛船。運載火箭代號中的數字「541」表示一個 5 米（17 英尺）的短有效載荷整流罩、4 個固體火箭助推器和 1 個單引擎的半人馬座上層。飛船高 197 英尺（60 米）。

這將是「阿特拉斯」號火箭第 11 次發射火星，也是繼 2005 年美國宇航局火星勘測軌道器、2011 年「好奇」號火星探測器、2013 年「馬文」號軌道飛行器和 2018 年「洞察」號著陸器之後，阿特拉斯五號的第五次發射。

在發射後大約 50 至 60 分鐘（取決於實際發射時間），火星 2020 號飛船將與運載火箭分離，獨自完成剩餘的火星之旅。

運載火箭的關鍵活動，事件時間取決於啟動日期和時間

飛船將在發射後 70 到 90 分鐘之間開始與地面通信（同樣取決於發射時間）。通信時間的變化是由於每次發射時太空飛行器在地球陰影中的時間。地球的陰影阻擋了光線到達太空飛行器的太陽能電池板，太陽能電池板為通信無線電提供電力。任務控制員不想在飛船處於陰影中時打開收音機，因為這會在它們無法充電時耗盡電池。

行星際巡航

從地球到火星的飛行距離約為 3.09 億英裡（4.97 億公裡），約需 213 天，這便是任務的巡航階段。

巡航階段從太空飛行器與運載火箭分離時開始。在巡航期間，「毅力」號火星車及其下降平臺被保護在一個被稱為「空氣外殼」的太空艙內；該外殼連接在一個圓盤狀的太陽能巡航平臺上。

在巡航期間，工程師們執行一系列旨在檢查太空飛行器子系統和儀器的活動。在這一階段，他們還進行了前三次「彈道修正機動」。火星飛船到達目的地的位置，是為飛船設計一個特定的飛行路線。

由於火箭的某些部分沒有像太空飛行器那樣徹底清潔，火箭最初被指向一條不指向火星的軌道，以避免意外地將不需要的地球物質運送到這顆紅色星球上。

火星著陸前的最後 45 天是進近階段，主要集中在導航活動上。在這一階段計劃進行兩次彈道修正機動，以便對進入目標進行最後的調整（如果需要）。

進入、下降和著陸

進入、下降和著陸（EDL）階段開始於太空飛行器到達火星大氣層頂部時，速度約為 12100 英裡/小時（19500 公裡/小時）。大約 7 分鐘後，EDL 結束，火星車停在火星表面。

大氣進入

飛船進入大氣層前 10 分鐘，脫離巡航階段。該太空飛行器將利用一種稱為「引導進入」的技術操縱其降落到火星大氣層中，以縮小目標橢圓形狀的火星著陸區域的大小，同時補償火星大氣密度的變化。在制導進入過程中，位於彈殼背面的小型推進器將調整升力的角度和方向，使太空飛行器能夠控制其飛行距離。

峰值加熱發生在大氣進入後約75秒，此時隔熱罩外表面的溫度將達到約 2370 華氏度（約 1300 攝氏度）。

毅力號正朝著美國宇航局迄今為止最大的火星登陸挑戰前行。耶澤洛隕石坑是一個 28 英裡寬（45 公裡寬）的撞擊盆地，有一個有趣的古老的三角洲，還有陡峭的懸崖邊、沙丘、巨礫場和較小的撞擊坑。為了確保安全著陸的最大概率，任務增加了新的 EDL 技術，即距離觸發和地形相關導航。

著陸階段

火星車應該在火星下午著陸——大約是當地平均太陽時下午 3:45（具體時間取決於實際發射日）。不久之後，火星車的計算機從進入、下降和著陸模式切換到地面模式。這啟動了在紅色行星表面的第一個火星日自主活動。

火星的一天，是 24 小時 39 分 35.244 秒。（毅力號團隊成員傾向於在火星白天工作，而不是地球日，因為火星車將在火星白天工作，而在火星之夜「睡覺」。毅力號火星車的計劃使用壽命為火星表面一年。

初檢

「毅力」號的團隊將在前 90 個 sol（火星日）上對探測器的所有部件和科學儀器進行測試。這段「檢查」期確保了包括團隊在內的一切準備就緒，可以進行地面作業。對於這 90 個 sol，操作團隊將致力於火星時間，這意味著他們將把時鐘設置為火星日（比地球日長約 40 分鐘）。這使他們能夠快速響應漫遊者在其工作日中遇到的任何問題，並確保修訂後的說明已準備好用於下一個 sol。

在火星時間上工作也意味著團隊成員每天將開始時間推遲 40 分鐘。最終，團隊成員將在半夜醒來開始輪班。

在調試的前 16 個 sol 中，毅力號將：

展開桅杆和高增益天線

開始對著陸點進行成像

升級月球車飛行軟體

對所有儀器進行健康檢查

表演「健美操」，鬆開手臂，測試它的動作

進行短距離駕駛測試

把肚盤放在漫遊車下面，這樣可以在著陸時保護直升機

整個調試階段在著陸後大約30個sol結束，這取決於活動進行得如何。

直升機飛行試驗

在這段時間內，毅力號需要找到一塊平坦的區域，來作為「智慧」號火星直升機的停機坪。火星車將在這一區域的中心部署獨創性，並駕駛一段安全距離。作為技術演示的一部分，直升機團隊將有多達 30 架 SOL 在火星上進行一系列飛行試驗。

地面作戰

在這些實驗直升機飛行結束後，毅力號將開始其表面操作階段，屆時該小組將執行其雄心勃勃的科學任務：尋找古代微生物生命的跡象，描述火星的氣候和地質特徵，並收集精心挑選和記錄在案的樣本，以備將來重返地球。關於毅力的科學目標的更多信息，請參閱本新聞包的科學部分。

在為期一年的火星任務期間，火星車的活動將受到限制，例如 2021 年 9 月，太陽在火星和地球之間出現，幹擾了兩個行星之間的傳輸，這將導致火星車的活動受到限制。為了在現有的時間內最大限度地進行科學研究，任務小組提前計劃了行動計劃，並在科學家研究數據時增加了應對新發現的靈活性。

四、關於毅力號火星車

「毅力號」探測車是在美國宇航局在南加州的噴氣推進實驗室建造的，裡面裝載了先進的科學儀器、用於著陸的超強計算能力和其他新研發的系統。截至目前，「毅力」號是美國宇航局建造的最大、最重的火星探測器。

1. 「毅力號」之毅力精神

事實上，毅力號相關的概念研究和早期技術工作早在 10 年前就開始了。

登陸另一顆行星、尋找古代生命的跡象、收集樣本，每一項任務都將非常困難。這些挑戰正是美國宇航局在「為火星車命名」競賽中從 28000 個候選名字中選擇「毅力」這個名字的原因。特別是在冠狀病毒大流行期間，啟動前的幾個月需要創造性地解決團隊合作問題。

正如維吉尼亞州伯克布拉多克湖中學(Lake Braddock Secondary School)的亞歷克斯馬瑟(Alex Mather)在獲獎文章中所寫的那樣，「我們是一種探索者，在通往火星的路上，我們將遭遇許多挫折。然而，我們可以堅持下去。我們，不是作為一個國家，而是作為人類，不會放棄。」

2. 建立在前浪們的經驗之上

美國宇航局在火星上的第一個探測車叫索傑納，只有一個微波爐大小。1997 年索傑納號火星車進行了人類歷史上第一次在火星表面和地球系統以外的巡視探測。

之後的火星探測車，勇氣號和機遇號，都是高爾夫球車的大小，在 2004 年著陸後，他們發現了火星在變成冰凍沙漠之前曾有水存在的證據。

和汽車差不多大小的好奇號探測器於 2012 年登錄火星。好奇號發現，它的著陸點蓋爾隕石坑(Gale Crater)在數十億年前曾是一個湖泊，那裡的環境可能曾支持過微生物生命。

所以，毅力號的目標就是邁出下一步，尋求回答天體生物學的一個關鍵問題：火星上是否有過去微生物生命的潛在跡象，或生命特徵?

3.將在極有可能發現生命存在跡象的地方著陸

傑洛隕石坑是一個 28 英裡寬(45 公裡寬)的隕石坑，位於 Isidis Planitia 的西部邊緣，火星赤道以北，是一個巨大的撞擊盆地。而科學家推測，在遙遠的過去，這個隕石坑可能是一個綠洲。

在 30 億到 40 億年前，那裡有一條河流流入一個像太浩湖那麼大的水體，沉積著富含碳酸鹽礦物和粘土的沉積物。「毅力號」科研小組認為，這個古老的河流三角洲可能積聚並保存了有機分子和其他潛在的微生物生命跡象。

4. 收集關於火星地質和氣候的重要數據

火星軌道飛行器一直在傑洛隕石坑上方約 200 英裡(322 公裡)處收集圖像和數據，但要想在火星表面找到古代生命的跡象，還需要更近距離的觀察。

所以就需要流浪者般的毅力，前往了解火星過去的氣候條件，解讀火星巖石中埋藏的地質歷史。這一任務將使科學家對火星在遙遠的過去是什麼樣子有更豐富的了解，研究這顆紅色星球的地質和氣候，也能讓我們了解為什麼地球和火星——它們由相同的原始物質形成——最終卻會如此不同。

5. 往返火星之旅的第一步

對火星上遠古生命的驗證需要大量的證據。而「毅力號」是第一個將樣本儲存系統帶到火星的漫遊者，該系統將為未來的任務帶回有希望的樣本。

與「好奇號」鑽頭所做的不同，「毅力號」的鑽頭將切割出一塊粉筆大小的完整巖心，並將它們放入樣管中。美國宇航局和歐洲航天局正在計劃一項火星樣本返回任務，在地球上檢測這些樣本將會提供更多關於它們的信息。

6. 為未來人類的月球和火星任務指明前路

在火星 2020「毅力號」任務中，將有利於人類探索的未來技術，包括火星車的地形相對導航系統。作為著陸系統的一部分，地形相對導航是毅力能夠探索像傑洛隕石坑這樣有趣的地方的主要原因。

它將使漫遊者能夠快速自主地了解其在火星表面的位置，並在下降過程中調整其軌跡。這項技術將能夠為機器人和太空人登陸月球的任務提供寶貴的幫助，並且是未來機器人和太空人探索火星的必要條件。

工程師們還為毅力號開發了比其他任何火星車更強大的自動駕駛智能，使它在一天的運行中可以覆蓋更多的地面，而無需等待地球上的工程師發送指令。這種能力(得益於升級的傳感器、計算機和算法)將使其他太空飛行器更有效地探索月球、火星和其他天體。

7. 每一個人的火星之旅

火星 2020「毅力號」任務攜帶的相機數量超過了歷史上任何一次星際任務。「毅力號」上有 19 個攝像頭，可以拍攝到令人驚嘆的細節。與之前的火星任務一樣，火星 2020「毅力號」任務計劃在其網站上提供原始和處理過的圖像。

本著公眾參與的精神，「毅力號」火星車還攜帶了一個電化鍍板，上面用莫爾斯電碼寫著「Explore as one」，還有三個矽晶片，上面有大約 1090 萬人的名字，他們報名參加了毅力號的火星之旅。

五、關於「首創號」直升機

萊特兄弟發明了第一個在我們的世界上實現動力和控制飛行的飛行器，而「首創號」直升機研發團隊期望他們的直升機將作為第一個在另一個世界飛行的飛行器。這款火星直升機只有 4 磅(1.8 公斤)重，但它單薄的身體卻承載著勃勃雄心。

1. 獨立的實驗性飛行測試

「首創號」是所謂的技術示範，一個試圖在有限範圍內首次測試一種新能力的項目。

「首創號」特徵主要表現在，四個特製的碳纖維螺旋槳排列成兩個 4 英尺(1.2 米長)反向旋轉的轉子，轉速大約 2400 轉——大約是標準的地球直升機轉速的8倍。

此外，在太陽能電池、航空電子、傳感器、通信和算法方面擁有多項創新。但同時，它的許多其他部件都是商用的，比如來自智慧型手機領域的現成部件，包括兩個攝像頭、一個慣性測量單元(測量移動)、一個高度計(測量高度)、一個傾斜儀(測量傾斜角度)和計算機處理器。

當然，這架直升機不攜帶科學儀器，是與火星 2020 毅力號任務分離的飛行實驗。

2. 第一架在另一個星球上飛行的飛機

火星的溫度已經超越了刺骨的寒冷，傑洛隕石坑的夜晚冷到零下 130 華氏度(零下 90 攝氏度)。這樣的溫度將會達到現成零件的設計極限。在地球上進行的溫度測試表明，它們應該能按照設計工作，但該團隊期待在火星上進行真正的測試。「首創號」到達火星的第一個目標就是第一次在火星寒冷的夜晚繼續正常工作。

火星的大氣稀薄，密度只有地球大氣的1%。由於火星大氣的密度要小得多，所以「首創號」被設計得很輕，它的旋翼葉片則要大得多，旋轉速度也比地球上的直升機要快得多。

不過，火星也給了直升機一點幫助：火星的重力只有地球的三分之一。這意味著在給定的自旋速率下，可以提升稍微多一點的質量。

此外，延遲則是在星際間與太空飛行器通信的固有挑戰，這意味著噴氣推進實驗室的飛行控制器將無法通過操縱杆控制直升機。因此，「首創號」必須自主飛行。飛行指令將提前發送，飛行的工程數據將在飛行完成後返回地球。

「首創號」將通過火星車進行通信，然後火星車與軌道飛行器進行通信，軌道飛行器又與地球進行通信。

3. 高超的工程技術

人類經歷了很多嘗試和錯誤才弄明白如何在地球上駕駛飛機或直升機。經過五年多的小心翼翼的努力， 「首創號」的工程師們終於能夠證明，製造出足夠輕的東西，且可以在火星稀薄的大氣層中產生足夠的升力，是可能的。

2014 年，他們利用噴氣推進實驗室的一個特殊空間模擬室首次展示了一架直升機可以在火星稀薄的大氣中起飛。2016 年，實現了以可控的方式飛行，並在 2018 年 1 月設計了一架具有火星所需全部功能的直升機測試模型。2019 年 1 月，該團隊完成了直升機的試飛。

4.「首創號」的名字

來自阿拉巴馬州諾斯波特的 Vaneeza Rupani 最初為火星 2020 號火星車命名「首創號」，但美國宇航局官員認為，考慮到團隊在完成任務時所運用的創造性思維，這個名字很適合直升機。

「努力克服星際旅行挑戰的人們的聰明才智，讓我們所有人都能體驗到太空探索的奇蹟。」Rupani 寫道，「創造力是讓人們完成令人驚嘆的事情的東西。」

魯帕尼還讚許了火星車和直升機在太空探索領域的共同努力：「這不僅僅是決心的產物，它們是人類毅力和創造力的結合。」

5.成功的第一步

考慮到「首創號」需要完成的所有開創式任務，該團隊還有一長串計劃需要實行，裡程碑的時刻包括:

在卡納維拉爾角成功發射，巡航和著陸火星；

從「毅力號」火星車的引擎導流板安全降落到地面；

在火星極冷的夜晚自動維持溫度；

用太陽能板自動充電；

最後，如果「首創號」的第一次飛行成功，直升機團隊將在火星 30 天(地球 31 天)的時間內再進行 4 次試飛。

6. 未來的火星探索將向航空方向發展

「首創號」的目的是展示在火星大氣中飛行所需的技術。如果成功，這些技術可能會使其他先進的機器人飛行器成為可能，這些飛行器可能會被包括在未來的機器人和人類火星任務中。

未來直升機在火星上的可能用途包括: 提供一種獨特的視角，這是我們目前高空的軌道飛行器或地面上的火星車和著陸器無法提供的; 為機器人或人類提供高清圖像和偵察; 以及進入火星車難以到達的地區。

而且未來的直升機甚至可以幫助將輕型但至關重要的有效載荷從一個地點運送到另一個地點。

六、毅力號的專用計算機

毅力號比 NASA 的前四輛火星車都具有更大自主性，其設計被 NASA 噴氣推進實驗室的機器人系統工程師 Philip Twu 稱為「火星自動駕駛汽車」。

與地球上的人一樣，毅力號使用一系列將數據反饋給機器視覺算法的傳感器進行導航。從 1997 年開始，即使陸地自動駕駛汽車配備了最好的計算機，其主要計算機的速度與高端個人電腦仍差不多。毅力號的狹小大腦能夠處理所有的自動駕駛，是因為 NASA 安裝了第二臺計算機，其作用類似於機器人驅動程序。

就像地球上的自動駕駛汽車一樣，毅力號將使用一系列傳感器將數據輸入機器視覺算法中進行導航

在此前的火星漫遊車上，導航軟體必須與所有其他系統共享有限的計算資源。因此，為了從一個點到達另一個點，需要先拍攝一張照片了解周圍環境，稍作駕駛，再停下來幾分鐘找出下一步的路線。但由於毅力號可以將許多視覺導航流程轉移到專用計算機上，因此無需採取這種「走走停停」的方式進行火星探測。取而代之的是，它的主計算機可以弄清楚如何堅持不懈地到達目標位置，而機器視覺計算機可以確保其在途中不會遇到任何困難。

七、毅力號的機器視覺算法

自主行駛對於完成毅力號的使命至關重要。地球與火星之間的距離可以使無線電信號以光速傳播長達 22 分鐘以進行單程旅行。長時間的延遲將使其無法實時控制漫遊車，且等待近一個小時的命令在火星與地球之間進行往返旅行也很不現實。

毅力號有一個緊湊的時間表，它需要從一架小型直升機上飛下來進行飛行測試，然後收集數十個巖石樣本並在地面找到可以存放的地方。如果毅力號需要在一年中完成所有任務，它必須能夠獨立進行導航決策。

地面自動駕駛車輛通常使用雷射確定物體位置以及與物體的距離，但雷射雷達系統體積龐大，耗能高且容易發生機械故障。因此，毅力號將使用立體視覺和視覺測距法確定火星上的位置。立體視覺結合了來自「左攝像機」和「右攝像機」的兩幅圖像，以創建漫遊車周圍的3D圖片，而視覺測距軟體及時分析分離的圖像，預估漫遊車已移動了多遠。

「我們擔心雷射雷達在太空飛行中的機械可靠性，」美國宇航局噴氣推進實驗室高級研究科學家兼計算機視覺小組主管 Larry Matthies 說。「幾十年前，當雷射雷達還不成熟時，我們就開始在噴氣推進實驗室使用立體視覺進行 3D 感知，效果還不錯。」

Matthies 已幫助火星上的每輛漫遊車建立視覺導航系統。除了 NASA 首次在火星上行駛的「旅居者」號（Sojourner）以外，其所有移動漫遊車都將立體視覺與視覺測距法結合使用。但毅力號與眾不同的地方在於，它有專用硬體和一套新穎的機器視覺算法。

八、技術挑戰與解決方案

毅力號的新型數字眼鏡能更快地自主導航周圍環境，因此有更多時間專注於主要科學目標。但毅力號仍需要一整天時間才能達到樹懶在一小時內可以覆蓋的相同距離。所有火星漫遊車一天中的最長行駛距離為 219 米，毅力號每天可以行駛 200 米左右，因此平均而言，毅力號已達到或超越此前的火星漫遊車行駛記錄。

由於火星沒有磁場與濃厚的大氣層，無法屏蔽來自太陽帶電粒子的侵蝕，這些粒子會對計算機上造成嚴重破壞。它們會導致電晶體在不應有的情況下導通或關斷，並且如果累積足夠多的這些錯誤，將會導致計算機崩潰，甚至丟失寶貴的數據造成整個任務失敗。因此NASA工程師會盡一切努力防止事故發生。

目前有很多技術可以使計算機不受輻射幹擾。例如，可以添加其他難以導通和關斷的電晶體。賽靈思公司（Xilinx）的空間系統架構師 Minal Sawant 為毅力號設計並製造了機器視覺晶片。根據賽靈思公司進行的資格測試，該晶片每年不發生超過兩次的翻轉錯誤，即離子導致存儲在存儲器中的信息量從一變為零。

但保護處理器免受輻射會損害其性能。這與處理器的設計有關，也與測試組件的抗輻射能力花費很長時間相關。

NASA 2020 火星任務團隊

Matthies 說：「即使硬體是完美的，算法也總是會犯錯誤。在計算機視覺中，存在離群值導致算法出錯。因此，我們必須壓倒這種可能性。」離群值可能包括漫遊車看不到物體或將其誤認為其他物體的情況。解決此問題的一種方法是從其他傳感器獲取漫遊車的導航系統數據，讓它不僅僅依靠視線來繞行。例如，陀螺儀和加速度計就可以幫助漫遊車了解火星表面的坡度和粗糙度。

Twu 說：「系統越複雜，可以做出的決策類型就越多。這需要確保已經涵蓋了漫遊車可能遇到的所有可能情況，通過進行多次實際動手測試能發現算法中的不足之處。」

在巨大沙箱中排列巨石的方法有很多種。毅力號導航算法的大多數測試都在虛擬仿真中進行。通過在軟體上投放所有可能場景，了解其在不同情況下的性能。雖然場景周圍大多仍是混合（虛擬）巖石，但可以建模的景觀類型和場景並沒有真正限制。Twu 稱，對視覺算法進行全面測試，加上漫遊車引入的所有傳感器數據，將使毅力號比其他任何火星漫遊車更自如地在困難地形上導航。

即使是最完美的模擬，與真實物體相比也顯得較為蒼白。明年2月，毅力號降落在火星上時，將接受更嚴格的測試。

如果一切順利，它所描繪的路徑將引導我們找到地球以外生命存在的證據。

北京時間 7 月 30 日下午 7 點半，作為繼天問一號火星探測任務發射之後的 2020 火星年重磅大戲，我們拭目以待。

直播地址：https://www.youtube.com/nasa

毅力號，奧利給！

編輯：曹綺桐、劉藝馨、周子嫄

資料來源：

https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/launch/

https://mars.nasa.gov/mars2020/timeline/launch/watch-online/

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mars_2020/launch/quick_facts/

https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mars_2020/launch/

https://www.wired.com/story/how-nasa-built-a-self-driving-car-for-its-next-mars-mission/

https://www.nature.com/articles/d41586-020-02185-9

https://www.theverge.com/2020/7/28/21307109/nasa-mars-rover-perseverance-launch-date-alien-life

https://spectrum.ieee.org/tech-talk/aerospace/robotic-exploration/ai-seeks-et-machine-learning-life-solar-system