尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）的《火星》：登陆火星2020恒心漫游者

美国国家航空航天局（NASA）的“火星2020”任务将有一个自动驾驶仪，可帮助其引导至“红色星球”更安全的着陆。

在第一次登月的宇航员登陆期间，宁静海上升到与尼尔·阿姆斯特朗见面的景象，并非阿波罗11号任务计划者的初衷。他们曾希望将登月舱“鹰”号送往一个相对平坦的着陆区，没有陨石坑，岩石和巨石。取而代之的是，阿姆斯特朗透过三角形的小型指挥官窗口凝视着他，看到了一块巨石场，对登月舱非常不友善。因此，阿波罗11号指挥官从机载计算机控制了下降的过程，将Eagle驾驶到巨石场之外，到达了一个永远被称为“宁静基地”的着陆点。

“在阿波罗11号之前，曾有机器人航天器进行了月球着陆。”美国宇航局（NASA）2020年火星探测器在加利福尼亚州帕萨迪纳的喷气推进实验室的进入，下降和着陆负责人艾尔·陈说。“但是从来没有像现在这样的航天器朝着其表面下降时改变其轨迹以使其不受伤害地操纵。”

火星2020任务面临着迄今为止在红色星球上最具挑战性的着陆。它将于2021年2月18日降落在Jezero火山口，那里是28英里（45公里）宽的土地，到处都是陡峭的悬崖，巨石场和其他可能诱使着陆的东西。一种称为“地形相对导航”（TRN）的新技术将使航天器能够自动避开危险。这是让宇航员驾驶飞船最接近的事情，这项技术将使未来对火星的机器人和人类探索受益。

在加利福尼亚州死亡谷的一次试飞中，一架空中客车直升机搭载了着陆器视觉系统（LVS）的工程模型，该模型将帮助指导NASA的下一次火星飞行任务，以安全着陆在红色星球上。在飞行过程中（系列飞行中的一个），直升机（不是任务的一部分，仅用于测试），其两人机组人员进行了预先计划的演练序列，而LVS收集并分析了贫瘠的土地，下面的山区。

Chen和他的2020年“火星”同事在没有铁眼的宇航员帮助下，就曾体验过在“红色星球”上降落航天器的经历。但是，火星2020即将迎来NASA迄今为止最大的火星挑战。Jezero陨石坑是一个28英里（合45公里）的压痕，充满了陡峭的悬崖边，沙丘，巨石场和小型撞击坑。团队知道，要尝试在杰泽罗（Jezero）着陆，并且运载的载重量比好奇号（Curiosity）流动车要多50％，好奇号流动车要降落在靠近夏普山（Mount Sharp）的位置更好，他们必须提高比赛效率。

“我们需要的是Neil Armstrong的火星产品，” Chen说。“我们想出的是地形相关导航。”

相对地形导航（TRN）搭载于2020年火星上，是一种自动驾驶仪，在着陆过程中可以迅速将飞船的位置移出火星，更重要的是，可以计算出其在火星表面的未来位置。在飞机上，流动站的计算机会在Jezero Crater内存储危险地图，如果认为计算出的着陆点过于危险，TRN将命令火星2020下降阶段将流动站飞到最安全的可到达着陆点。

两部分系统

要在月球上降落阿波罗登月舱，需要两名人员（阿姆斯特朗让巴兹·奥尔德林向他提供有关其飞行轨迹的信息）。同样，地形相关导航实际上是两个可以协同工作的系统：Lander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Lander视觉系统[LVS]，它确定了飞船在火星表面上方的位置，”火星2020导航与控制子系统经理安德鲁·约翰逊说。“如果您说的很快-LVS-您会理解为什么球队的非官方吉祥物是猫王。

LVS的使用寿命为25秒。它活跃在约13,000英尺（3,960米）的高度，命令漫游车上的摄像头迅速拍摄火星表面的照片，同时仍降落在降落伞上。LVS每秒检查一幅图像，将每个图像分解为正方形，覆盖大约5,000英尺（1,520米）的表面积。

但是，与尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）不同，LVS的实时分析不是在寻找特定的火山口边缘或山峰。取而代之的是，在每个这些盒子或地标内，系统都会寻找独特的图案，以对比由悬崖，陨石坑，巨石场和山脉等地面特征所产生的明暗对比。然后，它将任何不常见的模式与其内存中的映射进行比较。在“粗略地标匹配”模式下找到五个地标匹配项时，它将拍摄另一张图像并重复该过程。

在成功进行了三幅图像到地图的比较之后，LVS进入了一种称为“精细地标匹配”的模式。那时，系统将地面分成410英尺（125米）宽的盒子，扫描独特的图案并将其与地图进行比较。LVS在盯着一张图像的一秒钟内正在寻找至少20场比赛，但通常会产生更多（最多150场），以生成更精确的2020年火星轨迹的图。

约翰逊说：“每次在路线或精细地标匹配中对图像进行适当数量的匹配时，LVS都会更新航天器当时的位置，”约翰逊说。“然后，该更新将被输入到安全目标选择系统中。”

地形相对导航系统的第二部分使用LVS的位置解决方案，计算其着陆位置，然后将其与另一张船上地图进行比较，该地图描绘了着陆区内的区域，该区域既适合于着陆，又适合于具…有陨石坑的区域，悬崖边，巨石或岩石田野。如果绘制的位置不合适，“安全目标选择”可以更改流动站的命运，将其降落点最多移动2,000英尺（600米）。

经过测试

尽管可以在JPL范围内的计算机测试台上对“安全目标选择”操作进行调查，以收集光学数据，但该团队需要走得更远：莫哈韦沙漠和死亡谷。

在2019年4月和5月的三个星期内，LVS飞行了17架固定在直升机前部的航班，接连拍摄并处理了像Kelso Dunes，Hall-in-the-Wall，Lava Tube，Badwater这样的火星般地形的图像，帕纳明特山谷和豆科灌木平坦的沙丘。

约翰逊说：“我们一次又一次地飞行，模仿了航天器的下降轮廓。”“在每次飞行中，我们进行了多次跑步。每次奔跑本质上都是模仿火星着陆。”

在试飞过程中，总共进行了659次火星着陆。

“数据存在于TRN的作品中，” Chen说。“这是一件好事，因为Jezero是我们的科学家想要去的地方。如果没有TRN，则漫游车成功降落在合适位置的几率约为85％。有了TRN，我们相信我们的收入将增长99％左右。”

但陈也很快注意到火星很难：任何航天局发送给火星的所有任务中，只有大约40％成功降落。

“要走得更远，我们必须回顾过去，在这方面谁比第一个更好？”陈说。“在阿波罗11号巡回演出大约35年后，尼尔·阿姆斯特朗（Neil Armstrong）说道：‘我认为我们非常努力，不要过分自信。因为当您过分自信时，那就是什么突然响起并咬住您。”

考虑到这一点，“火星2020 TRN”小组的工作将在2021年2月18日下午12点才结束。太平洋标准时间（美国东部标准时间下午3点），当他们的漫游车在Jezero Crater上落下时。但这仅仅是一个开始：相对地形导航的自主精确制导对于证明人类在月球和火星上的安全着陆非常必要。TRN还可用于在世界上或未来要探索的其他人员乘飞机之前将设备降落数次。

JPL由加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院（Caltech）为NASA管理，建造并管理了恒心漫游车的运营。