尼尔·阿姆斯特朗的火星之旅:登陆火星2020毅力漫游者

火星漫游者地形相对导航

美国宇航局的“火星2020”任务将配备自动驾驶仪,帮助引导它在红色星球上安全着陆。来源:美国国家航空航天局/姓名

美国宇航局最新的漫游者有一个被称为地形相对导航的自动驾驶仪。

在第一次宇航员着陆期间,宁静的宁静海洋的看法在月球上的第一次宇航员落地期间不是阿波罗11个任务规划者的意图。他们希望将月球模块鹰朝着一个相对平坦的着陆区,几个陨石坑,岩石和巨石。相反,通过他的小三角指挥官的窗口窥视,阿姆斯特朗看到了一块巨石场 - 对于农历模块非常不友好。因此,Apollo 11指挥官从船上计算机中驾驶鹰队的血统,远远超出了巨石领域,将永远被称为宁静基地的着陆网站。

“在Apollo 11之前,Hool Landings与机器人航天器11,”Al Chen,Entry,Descrence和Landing Lead美国国家航空航天局火星加州帕萨迪纳市喷气推进实验室的2020任务。“但在此之前,从未有航天器在降落到其表面时改变轨道以避开危险。”

“火星2020”任务面临着迄今在这颗红色星球上着陆最具挑战性的任务。它将于2021年2月18日在Jezero陨石坑着陆,这是一个28英里宽(45公里宽)的区域,布满陡峭的悬崖、卵石田和其他可能会给着陆带来陷阱的东西。一项被称为地形相对导航(TRN)的新技术将允许航天器自动避免危险。这是最接近由宇航员驾驶宇宙飞船的事情,这项技术将有利于未来的机器人和人类探索火星。

着陆器视觉系统直升机测试

在加利福尼亚死亡谷的一次试飞中,一架空客直升机携带着陆器视觉系统(LVS)的工程模型,该模型将帮助指导NASA的下一个火星任务,在红色星球上安全着陆。在飞行过程中,这架直升机(不是任务的一部分,只是用于测试)和它的两名机组人员执行了预先计划的一系列动作,而LVS收集并分析了下面贫瘠的山地地形的图像。来源:美国国家航空航天局/姓名

陈和他的“火星2020”同事们在没有铁眼宇航员的帮助下在红色星球上着陆的经验。但“火星2020”将是美国宇航局面临的最大挑战。Jezero火山口是一个28英里宽(45公里宽)的凹痕,布满陡峭的悬崖、沙丘、卵石田和小陨石坑。研究小组知道,要想尝试在Jezero着陆——而且好奇号的有效载荷比好奇号多50%,好奇号着陆在夏普山附近一个更温和的位置——他们必须提高他们的策略。

陈说:“我们需要的是去火星的尼尔·阿姆斯特朗。”“我们想到的是地形相对导航。”

搭载在“火星2020”上的地形相对导航(TRN)是一种自动驾驶仪,着陆时可以快速计算出航天器在火星表面的位置,更重要的是,计算出它未来在火星表面的位置。在探测器上,探测器的电脑储存了一份Jezero陨石坑内的危险地图,如果计算出的着陆点被认为太危险,TRN将指挥“火星2020”的下降阶段,让探测器飞到最安全的可到达的着陆点。

一个由两部分组成的系统

阿波罗登月舱要在月球上着陆需要两名宇航员(阿姆斯特朗让巴兹·奥尔德林给他提供了他们的轨道信息)。同样地,地形相对导航实际上是两个系统一起工作:着陆器视觉系统和安全目标选择系统。

“地形相对导航的前半部分是着陆器视觉系统(LVS),它可以确定航天器在火星表面的位置,”火星2020制导导航和控制子系统经理安德鲁·约翰逊(Andrew Johnson)说。“如果你说得快一点——lv——你就会明白为什么该队的非官方吉祥物是猫王。”

lv的运行时间是25秒。它在大约13000英尺(3960米)的高度活跃起来,命令探测器上的照相机在降落伞降落时快速地拍下火星表面的照片。拉斯维加斯金沙集团每秒钟仔细检查一张图像,将每个图像分割成占地约5000英尺(1520米)的正方形。

然而,与尼尔阿姆斯特朗不同,LVS的实时分析不是寻找特定的火山口轮辋或山峰。相反,在这些盒子里或地标中,系统在对比的光线和暗影中,通过悬崖,陨石坑,巨石田地和山脉造成对比的光和黑暗来寻找独特的模式。然后它将任何罕见模式与其存储器中的映射进行比较。当在粗略地标匹配模式期间发现五个地标匹配时,它需要另一个图像并重复该过程。

在三次成功的图像-地图比较之后,lv进入一种被称为精细地标匹配的模式。此时,该系统将地表分解成410英尺(125米)宽的盒子,扫描独特的图案,并与地图进行比较。拉斯维加斯金沙集团正在寻找至少20个匹配,在那一秒的眼球图像,但通常是更多-多达150 -为了产生一个更精确的火星2020轨道图。

约翰逊说:“每一次图像中出现合适数量的匹配,无论是航向匹配还是精细地标匹配,LVS都会更新航天器在那一刻的位置。”“这些更新信息随后被输入安全目标选择系统。”

这个Terrain-Relative导航系统的第二部分使用lv的立场解决方案,计算它将土地上然后把它比作另一个地图,这一描述领域内的着陆区被理解为对着陆…或与陨石坑,“宗,岩石或岩石字段。如果绘制的位置不合适,安全的目标选择可以改变探测器的命运,将着陆点移动2000英尺(600米)。

经受考验

而安全的目标选择操作可以在计算机试验台的范围内进行研究喷气推进实验室,要收集光学数据,团队需要走得更远:莫哈韦沙漠和死亡谷。

在2019年4月和5月的三周时间里,拉斯维加斯金沙集团乘坐连接在一架直升机前部的17架飞机飞行,拍摄并处理凯尔索沙丘、墙中洞、熔岩管、恶水滩、Panamint山谷和牧豆树平坦沙丘等火星地形的图像。

“我们飞行飞行后飞行,模仿宇宙飞船的下降档案,”约翰逊说。“在每个航班中,我们执行了多个运行。每次运行都基本上模仿火星着陆。“

总而言之,在测试飞行中进行了相当于659次火星着陆。

“数据在- TRN工作,”陈说。“这是一件好事,因为Jezero是我们的科学家想去的地方。如果没有TRN,月球车在合适地点成功着陆的几率约为85%。有了TRN,我们有信心实现约99%的增长。”

但陈也很快就注意到火星很难:只有大约40%的所有航天局都寄给火星的任务 - 已成功降落。

“为了走得更远,我们必须回顾过去,在这方面,谁比第一个更好呢?””陈先生说。“在阿波罗11号发射大约35年后的一次采访中,尼尔·阿姆斯特朗说,‘我认为我们已经非常努力地不过于自信了。因为当你过于自信时,就会有东西突然咬你一口。’”

注意到,火星2020年TRN团队的工作只会在2021年2月18日结束,下午12点以后一点。PST(3下午3点),当他们的流动站在Jezero火山口上升时。But it is also just a beginning: Terrain-Relative Navigation’s autonomous precision guidance could prove essential to landing humans safely on both the Moon and Mars.TRN could also be useful for landing equipment in multiple drops ahead of a human crew on either world — or others to be explored down the road.

喷气推进实验室由位于加州帕萨迪纳的加州理工学院为NASA管理,建造并管理“毅力”号漫游者的运行。

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