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介休新一代火星探测器长了23只眼睛51搜

荣杰五金网 2019-11-08 17:47:28

● 人类自上世纪60年代起,开始了对火星的探索,至今已有超过40枚探测器到达火星。

● 2015年10月28日,美国宇航局(NASA)宣布,火星勘测轨道飞行器(MRO)提供的强有力数据表明:火星表面存在着液态水活动的迹象。

● “Mars2020”是NASA未来火星探测计划的一部分,旨在为寻找火星过去的生命迹象收集岩石和土壤样本,由此研究火星表面的地质过程和历史,包括对火星过去的可居住性、生命存在迹象及火星地层中的生物特征,进行可能性评估。

● “Mars2020”火星车延续了“好奇号”火星车的装备,但约60%进行了升级,并将搭载一些不同的科学研究载荷。

● “Mars2020”的登陆器和火星车上共有23个摄像装置,其中科学相机7台、工程相机9台、记录拍摄探测器接近火星并下降、着陆情况的相机7台。作为火星车“主眼”的全景摄像头,具备了变焦功能。

火星车的“眼睛”20年里增加了4倍

1997年,美国宇航局(NASA)的火星探测器“探路者号”在火星登陆时,一共带了五个摄像头,其中两个安装在着陆器的一根伸出的桅杆上,另外三个安装在NASA的第一个巡视器“索杰纳号”火星车上。从那时到现在,相机技术有了巨大突破。由当年太空计划提升改进的图像传感器,现在已经普遍商业化——摄像头的体积越来越小,拍摄质量却越来越高,现在每一部手机和笔记本电脑上都普遍配备了这样的摄像头。

这些技术进步也反哺到了太空任务中。美国宇航局的“Mars2020”任务,将拥有比以往任何巡视器更多的“眼睛”:总数多达23个,它们分别可以用来创建全景照片、发现前进途中的障碍物、研究火星大气,还能协助科学仪器开展工作。这些“眼睛”将在火星车向火星降落的过程中,提供激动人心的全方位视角,并在第一时间捕捉到降落伞在另一颗行星上缓缓张开的盛况。甚至在火星车的内部,也有一个摄像头,用于在未来的火星任务中拍摄火星样本的收集和研究过程。

“Mars2020”火星探测器在建造时,美国宇航局的喷气推进实验室(JPL)将这些相机都设计了进去。它们体现了自“探路者号”以来相机技术的稳步进展,继“探路者号”任务之后,“勇气号”和“机遇号”火星车都各自带有10个摄像头;而包括安装在登陆器上的摄像头在内,“好奇号”火星车上的摄像头达到了17个。

“随着相机技术的不断发展,每一次火星探测任务都充分吸收了最新技术,以提高性能、降低成本。”成像技术专家、“Mars2020”全景摄像头Mastcam-Z的主要研究者、JPL的贾斯廷·真希说。

相机技术上的这种优势的建立代表了一个完整的技术发展周期——从NASA到商业领域,然后再反馈到NASA。在上世纪80年代,JPL开发的有源像素传感器,比以前的数码相机技术所需要的功率更小。这些传感器后来由photobit公司实现了商业化(photobit公司是由前JPL研究员埃里克·弗休姆创立的,弗休姆如今在美国新罕布什尔州的达特茅斯学院工作)。

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与“好奇号”上的相机设备相比,“Mars2020”火星探测器的“主眼”——全景摄像头Mastcam-Z,将能获得更生动丰富的色彩和三维影像。负责这一研究的亚利桑那州立大学的吉姆·贝尔介绍说:“我们在‘好奇号’高分辨率Mastcam (桅杆式相机) 改进版的基础上,又加入了Z(变焦)的功能。”

Mastcam-Z的立体摄像头可以支持建立更多的三维图像,这对于勘探较远距离的地质特征及寻找潜在样品非常理想,它可以查看差不多一个足球场大小范围内的地面特征,如土地侵蚀和土壤结构情况等。拍摄记录下这些细节是很重要的,因为那可以揭示许多地质线索,科学家可将这些细节作为“野外记录”,与收集到的样本一起相互参照,进行研究。

“高分辨率三维图像用途很广,对于远程或近域的科学目标都很有用。”贝尔说。“勇气号”“机遇号”和“好奇号”火星车都设计了带有用于导航和规避危险的工程相机,这些相机的摄像头都能产生百万像素的黑白图像。

新一代火星车上的工程摄像头已经升级,可获得2000万像素的高分辨率彩色图像。另外,这些相机的镜头视角也更广阔,这对于“Mars2020”火星车的任务至关重要,可以为科研和样本收集争取更多的时间。

“之前我们要将工程相机拍摄的多张图片拼接在一起,但有了更宽视域的相机之后,只要一次拍摄就能取得与此前多图拼接的同样效果。”JPL新工程摄像技术开发部门的经理科林·麦金尼说。

这意味着火星车将节省下在图片的取景、拍摄和拼接上所花的时间,另外还能够减少因运动导致的图像模糊,在移动过程中也可以正常拍摄。

在火星与地球之间传送更多的数据

所有这些技术升级都面临着一个挑战:如何在太空中传送更多的数据。“对大多数图像系统来说,通信信号传输是一个瓶颈,相机能够获得的数据比传送回地球的数据要多得多。”真希说。

为解决这个问题,火星车上的相机现在变得越来越“聪明”——尤其是在数据压缩方面。

在“勇气号”和“机遇号”上,数据压缩是用机载计算机完成的,而在“好奇号”上,大部分是用相机的内置电子器件来完成的,它们可处理更多色彩丰富的、包含3D信息的图像以及高速视频。

NASA还通过利用轨道航天器作为数据中继站,将更多数据传回地球。使用数据中继站的想法最早是在美国宇航局的火星奥德赛轨道飞行器上进行实验的,在“奋进号”和“机遇号”任务中都采用了这个方法。

“我们之前预计每个火星日里能够向地球传送几十兆的数据,但在奥德赛轨道飞行器飞越火星上空时,每个火星日可获得大约100兆的数据。太空数据传输技术已进入了一个全新的阶段。”贝尔说。

NASA计划利用火星轨道上现有的航天器——火星勘测轨道飞行器(MRO)、火星大气与挥发物演化项目探测器(Maven)以及欧洲航天局的火星微量气体探测器(TGO)——作为“Mars2020”任务的数据传输中继站,将在任务的头两年里,为火星车上相机系统的工作提供支持。注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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