毅力号睁开几双「眼睛」，360度全景展示它的火星新家

Posted 2023-04-09

参考技术A

【新智元导读】 近日，在火星安家的「毅力号」向地球发回了一张全景图，展示了着陆点杰泽罗陨石坑周围的面貌。

恐怖七分钟结束了。

降落伞打开，空中吊车火箭发射，毅力号「砰」的一声落地了！

毅力号是渺小人类为了 探索 2亿公里之外的红色星球而建造的漫游者，它已在杰泽罗陨石坑边缘着陆，以后这里就是它的新家了。

毅力号睁开眼睛，环顾四周，看到了下面这幅景象：

来自火星的新明信片，毅力号发回的火星表面的超高清全景图像

图中展示了杰泽罗火山口的边缘和远处古老的河三角洲的悬崖面。

这是毅力号到达火星的第三天也就是2月21日拍摄的，位于毅力号头部的 Mastcam-Z摄像头在360度旋转过程中拍下了142张图像，随后拼成了这张全景图。

下面这张注释版本介绍了图片的比例尺，还给了一块风蚀岩石特写，也显示了摄像头Mastcam-Z拍摄的细节。

其实，这些全景图和之前我们看到的火星照片一样，都是经过后期处理后的图像，毅力号视角看到的火星包含了很多人眼不可见的光线。它拍摄的照片、视频和其他信息会通过火星侦察轨道飞行器发回地球，这一过程需要11分钟。

毅力号还会特别寻找古代微生物的生命迹象，并采集一些岩石和土壤样本。

不过，毅力号第一个执行火星岩石和风化层(破碎的岩石和尘埃)的收集任务，将于2028年才开始进行。

这台价值24亿美元的机器人是NASA迄今为止最复杂的火星探测器，配备了七种科学仪器。

这七大仪器是获取火星地质、大气、环境条件和潜在生物特征信息的最先进的工具。

毅力号的「眼睛」

毅力号上布满了摄像头，如果智慧号无人机上的摄像头也算上，则一共为25个。

其中的一些相机几乎完全像人类一样观看颜色和纹理，但是它们看到的更多。这些设备所拍摄的颜色超出了人眼和大脑所能处理的颜色范围。然而，研究人员必须对它们寄回的图片有所了解。

其中，Mastcam-Z是一组安装在毅力号顶部的超精密双筒望远镜（Z代表变焦），在设计Mastcam-Z时，科学家们考虑到了目前所能设想到的一切情况，他们希望毅力号不仅可以去到事先计划的地点，还可以 探索 火星上的更多地方。

毅力号的两台Mastcam-Z成像仪（在灰色框中）是流动站遥感桅杆的一部分。

Mastcam-Z可以看到约1毫米宽的细节特征，100米开外，它能捕捉4厘米宽的细节。

它观察颜色的能力也很强，或者更准确地说是「多光谱」，可以捕获人类习惯的可见光谱，还可以捕获大约12种窄带的颜色。

如果我们想重现人眼所看到的火星，应该在这些火星景观上模拟地球的光照条件。

火星和地球沐浴在相同的阳光下，混合着不同波长的光。但是在火星上更少一些，因为距离太阳更远。同时地球大气层充满水蒸气以反射和折射所有光，但火星大气层很稀薄，这就意味着火星上会有很多红色和棕色。

通过研究特定波长的光线被岩石中的物质反射或吸收的程度可以得到一个“反射系数值”，用来准确地告诉科学家他们正在看什么。

拜耳过滤器（Bayer RGB filter） 对波长高于840nm的光是透明的，也就是说，对红外光是透明的。在这一层的前面是一个带有另一组滤光轮（Filter Wheel），通过屏蔽掉人类可见光的颜色，就得到了一个红外摄像机，而选择较窄的波长，就可以通过它们反射不同波长的红外光来识别和区分特定种类的岩石。

在毅力号离开之前，Mastcam-Z 小组必须准确地了解摄像机是如何看到这些差异的。他们创建了一个“ Geo Board”，一个供参考的颜色样本卡，也就是一些正方形的岩石切片。

通过把人类目前已知的所有不同类型的岩石板组装起来，都是希望在火星上能够发现的东西。

比如说在这块木板上有一些玄武岩和石膏矿物，在正常的彩色图像中，它们都只是看起来像明亮的白色岩石，两者大部分都是钙和硫，但石膏中含有更多的水分子，而且水在某些红外波段的反射比其他波长的更强。当使用Mastcam-Z 拍摄假彩色图像时，就能区分清楚了。

不过，对于所有的多光谱多任务来说，Mastcam-Z 确实有其局限性。对于纹理来说，它的分辨率非常好，但它的视野范围只有15度左右，而且它的上传速度非常慢。

要识别真实的元素，弄清楚它们是否曾经孕育过生命，则需要更多的颜色。其中一些颜色甚至更隐形，这就是 PIXL（Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry，X射线光谱仪） 的用武之地。

具体来说，这是运行在毅力号机械臂上的一个传感器，通过将矿物的元素与细粒结构结合起来，就可以找到叠层石。地球上的叠层石提供了古生物的一些证据;，而科学家希望他们在火星上也能做同样的事情。

X 射线和人类看到的光是同一个电磁波谱的一部分，但波长要短得多，X 射线使不同种类的原子以特有的方式发出光。通过使用 X 射线，可以探测岩石的信号，以研究元素的化学性质。

理想情况下，可见颜色和纹理的映射将与 X 射线结果生成的不可见的、只有数字的映射，当正确的结构与正确的矿物质排列在一起时，研究人员就能分辨出是否有生命迹象。

当然，毅力号还有其他相机和仪器，用来在岩石和风化层中寻找其他有意义的线索。

例如，与 PIXL 相邻的是一个从另一个角度观察岩石的设备 SHERLOC（Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics & Chemicals）。

它向岩石发射激光以震动岩石的分子，这就是 拉曼光谱（Raman spectroscopy）。

毅力号收集到的数据将是多维度的，未来能够送回地球的岩石将产生最好的地面真相数据，其次是X射线和拉曼光谱，然后是探测器相机，最后是轨道照相机。当然，所有这些都在火星上一起工作。

不过，一种仪器收集到的数据并不能确认火星上曾经存在过生命，必须要经过所有仪器的确认，才能产生较高的置信度。

就像是一件图案丰富的挂毯，完整的图像要由各色纱线纵横穿梭、交织而成，而不能只见一隅。

参考链接：

https://www.thesun.co.uk/tech/14162593/nasa-perseverance-rover-jezero-crater-photo/

https://www.wired.com/story/perseverances-eyes-see-a-different-mars

毅力号去火星还带个无人机，由Linux+开源软件控制，Linux成为火星首个开源系统

大数据文摘出品

“毅力号”火星车登陆火星的视频传回来了！

这是NASA的“毅力号”火星车最黑暗的7分钟，这7分钟里，航天器与地球控制中心的通讯完全中断，这期间的着陆过程需要由火星车自主控制。

幸运的是，自主着陆系统表现良好，火星车成功着陆预定地点——耶泽洛陨石坑。

整个着陆的场面可谓是惊心动魄，着陆的时候，释放火星车的飞行器将火星地表的尘埃和沙砾卷起漩涡。

除了“毅力号”火星车本身，文摘菌注意到，这次参与火星探险的还有一个无人机，“机智号”。

“机智号”无人机不仅是第一个在外星球上测试动力飞行的飞行器，其飞行控制程序搭载在Linux上，也让Linux成为首个登上火星的开源系统。

并非主线任务，而是探索开源软件上火星的可能性

这次“毅力号”登陆火星的任务主要是寻找远古生命的迹象，收集岩石和泥土样本等，大多由火星车自己完成，“机智号”无人机并不参与。

“机智号”作为第一款在火星上进行飞行测试的无人机，更多是一种技术示范，目的在于展示使用商用硬件和开源软件在火星上飞行的可能性。

火星的大气密度只有地球大气密度的百分之一，引力也只有地球的三分之一，在此之前，还从来没有人尝试过在火星上飞行。

想要在火星上的飞行，要克服许多不利条件。

首先是其设计要足够轻巧和坚固，可以藏在火星车有限的空间中，并且能够在合适的位置正确展开。

其次是要克服火星恶劣的气候，在火星零下90摄氏度的寒冷夜晚，无人机要自动保持温度。

第三是没有外来能源，无人机还要能自主通过太阳能电池板充电。

最后就是自主飞行，这就要靠NASA的研究人员基于Jet Propulsion Laboratory's (JPL)的开源框架 F´（发音为F prime）开发的飞行程序来控制了。

这一切，都将集成在“机智号”仅1.8公斤的机身里，技术难度可想而知是非常大了。

“机智号”无人机主要技术参数

开源系统+开源框架，方便你也做一个

“机智号”无人机的飞行控制程序是基于Jet Propulsion Laboratory's (JPL)的开源框架 F´定制的，搭载于Linux系统中，这让Linux成为第一个登上火星的操作系统。

F´ 是一个组件驱动的框架，支持航天飞行和其他嵌入式软件应用程序的快速开发和部署。

F´ 曾多次成功地部署在多个空间应用领域，支持量身定制，不仅限于小规模的航天系统，还可以在如小型卫星，以及像“机智号”无人机这样的自主飞行无人机上运行。

它包括:

• 将飞行软件分解为具有定义良好的接口的离散组件的体系结构

• 提供消息队列和线程等核心功能的C++框架

• 用于指定组件和连接并自动生成代码的建模工具

• 越来越多的通用组件集合

• 在单元和集成级别测试飞行软件的测试工具

几年前，这个框架在GitHub上已经开源。

F´ 框架GitHub链接：

https://github.com/nasa/fprime

在 IEEE Spectrum 的一次采访中，Timothy Canham，一位 JPL 嵌入式软件工程师表示：

这是我们第一次在火星上飞行 Linux。（无人机）实际上运行在一个 Linux 操作系统上。我们正在使用的软件框架是当时在 JPL 为立方体卫星和仪器开发的，几年前我们开源了它。

所以，你可以得到在火星直升机上飞行的软件框架，并将它用在你自己的项目上。这是一种开源的胜利，因为我们拥有一个开源的操作系统和一个开源的飞行软件框架，还有一些现成的商业部件，如果你有一天想自己做的话，你可以买到。

Linux是最成功的太空操作系统

当然，还有许多其他的 NASA 开源项目，美国宇航局有超过500个开源3.0许可认证的项目。

早在出现自由软件和开放代码的概念之前，美国宇航局就在 COSMIC 程序下自由地分享了它的大部分代码。

至于Linux，除了是第一个登上火星的操作系统，也是最早进入太空的开源操作系统，NASA在国际空间站上就长期使用 Linux。

Linux 通往霸主开源系统地位的道路也始于NASA的戈达德太空飞行中心超级计算机中心（GSFC）的第一台 Beowulf 超级计算机。

和“机智号”无人机一样，Beowulf 超级计算机是用 COTS 设备打造的。它搭载16个 Intel 486DX 处理器和一个10mbps 的网络，总价格只有几千美元。

虽然它的运算速度相当慢，但 Beowulf 向我们展示了用极少的预算和开源的 Linux 就可以构建超级计算机。

包括到现在，“机智号”无人机依然向我们证明，在太空中，用 Linux 配合开源软件依然可以做成伟大的事情。

相关报道：

https://www.zdnet.com/article/to-infinity-and-beyond-linux-and-open-source-goes-to-mars/

https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/

https://github.com/nasa/fprime

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