突破火星的成像技術(shù)

當(dāng)世界其它地區(qū)還在談?wù)?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E8%87%AA%E5%8A%A8%E9%A9%BE%E9%A9%B6%E6%B1%BD%E8%BD%A6/">自動(dòng)駕駛汽車(chē)時(shí)，美國(guó)宇航局(NASA)最近就將一輛自動(dòng)駕駛車(chē)在另一星球登陸！2021年2月18日，2020火星任務(wù)將毅力號(hào)(Perseverance)火星漫游車(chē)安全運(yùn)送到火星表面。全世界都在觀(guān)看毅力號(hào)進(jìn)入火星大氣層、降落并最終著陸，盡管觀(guān)看的影像并非是實(shí)時(shí)的。

進(jìn)入、降落、著陸的過(guò)程 (稱(chēng)為EDL)是全自主的。當(dāng)時(shí)在該火星漫游車(chē)發(fā)送傳送信息和任務(wù)控制接收信號(hào)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(hào)是成功的，更令人驚訝的是該火星漫游車(chē)是首個(gè)在降落過(guò)程中主動(dòng)完成導(dǎo)航的任務(wù)。它使用了一個(gè)為2020火星任務(wù)開(kāi)發(fā)的新系統(tǒng)：地形相對(duì)導(dǎo)航(Terrain-Relative Navigation)。

圖：毅力號(hào)的降落傘仰視攝像機(jī)A

圖片來(lái)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(lái)確定著陸的位置。估計(jì)誤差高達(dá)3公里，這意味著以前的火星漫游車(chē)不得不花幾天甚至幾周的時(shí)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?duì)平穩(wěn)的著陸。試圖讓一輛“盲目的(blindfolded)”火星漫游車(chē)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(shí)視頻，使降落不再盲目。

借助“地形相對(duì)導(dǎo)航”技術(shù)將大不一樣。這意味著火星漫游車(chē)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(hào)在Jezero Crater著陸的方式。這也意味著未來(lái)的火星漫游車(chē)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(chē)導(dǎo)航到地面的方式是拍攝地形圖像并將其與車(chē)內(nèi)存儲(chǔ)的圖像庫(kù)進(jìn)行比較。識(shí)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(lái)查詢(xún)另一個(gè)地圖區(qū)域庫(kù)，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(guò)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(hào)共有23只攝像機(jī)，其中19只裝在該火星漫游車(chē)上，其中16只供其在地面上時(shí)使用。其余的7只攝像機(jī)，同時(shí)裝在該火星漫游車(chē)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(hào)在下降到火星的過(guò)程中使用其降落傘仰視攝像機(jī)A捕獲的圖像。

圖片來(lái)源：NASA / JPL-Caltech

來(lái)自這些攝像機(jī)中的一些錄像已被瀏覽了幾百萬(wàn)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(guān)察降落時(shí)降落傘的打開(kāi)。所提供的信息和情報(bào)將影響未來(lái)的任務(wù)。降落傘展開(kāi)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(shí)間切換到30 fps。另外兩只攝像機(jī)分別稱(chēng)為漫游車(chē)仰視攝像機(jī)(RUC)和漫游車(chē)俯視攝像機(jī)(RDC)，提供了類(lèi)似的信息，并且在整個(gè)EDL期間都以30 fps的速度運(yùn)行。

圖：毅力號(hào)在下降過(guò)程中，由漫游車(chē)仰視攝像機(jī)捕獲的圖像

圖片來(lái)源：NASA / JPL-Caltech

PUC、RUC和RDC中使用的傳感器是PYTHON1300，它是130萬(wàn)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(guò)27,000張圖像。

現(xiàn)在位于火星上的第6個(gè)安森美半導(dǎo)體圖像傳感器是PYTHON5000，這是個(gè)530萬(wàn)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(jué)系統(tǒng)(Lander Vision System)中，稱(chēng)為L(zhǎng)CAM。該攝像機(jī)的視場(chǎng)為90°x 90°，并為車(chē)載地圖“地形相對(duì)導(dǎo)航”定位系統(tǒng)提供輸入。

如果沒(méi)有這些攝像機(jī)或其中的圖像傳感器，那么毅力號(hào)就不可能準(zhǔn)確地著陸。過(guò)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?？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有攝像機(jī)，那么地形相對(duì)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(wú)論是否參與某種程度的任務(wù)。