棘手的地形导航：帮助确保2020年火星探测器的安全着陆

火星2020的恒心漫游者配备了基于地形相对导航的着陆器视觉系统，这是一种先进的方法，可以将实时图像与预先加载的地图进行自主比较，从而确定漫游者相对于着陆区域内危险的位置。然后，如果需要，转向导航算法和软件可以将漫游车引导绕过这些障碍物。

本月，两项新技术将如何帮助美国国家航空航天局（NASA）迄今最先进的漫游者恒心（Perseverance）降落在火星表面。

经过近七个月的火星旅程，美国宇航局的恒心漫游者定于2021年2月18日降落在红色星球的杰泽罗火山口，这是因为其科学研究和样本采集的可能性而选择的崎exp广阔。

但是，使站点着迷的特性也使它成为一个相对危险的着陆点-这项挑战促使在地球上对着陆器视觉系统（LVS）进行严格测试，流动站将依靠它来安全着陆。

“杰泽罗（Jezero）的宽度为28英里，但是在那片广阔的范围内，流动站可能会遇到很多潜在的危险：丘陵，岩石田地，沙丘，环形山本身的墙壁，仅举几例，”主要机器人技术专家安德鲁·约翰逊南加州NASA喷气推进实验室的系统工程师。“因此，如果您遇到这些危险之一，则可能对整个任务造成灾难性的影响。”

进入地形相关导航（TRN），这是LVS核心的关键任务技术，可实时捕获火星地形的照片，并将其与着陆区的机载地图进行比较，从而自动将流动站引导至已知危险附近和需要的障碍。

Masten的Xombie VTVL系统于2014年12月坐在加利福尼亚州莫哈韦的启动板上，准备进行飞行测试，这将有助于证明着陆视觉系统在火星2020恒心漫游者任务中的能力。

“对于2020年的火星，LVS将使用位置信息指出流动站相对于这些危险之间的安全点的位置。漫游者将在其中一个安全地点降落，”约翰逊解释说。

如果约翰逊对LVS能够安全降落毅力感到有信心，那是因为它允许流动站以大约200英尺或更小的精度确定其相对于地面的位置。低误差率和高度保证是设计使然，并且是在实验室和现场进行大量测试的结果。

JPL的Swati Mohan，2020年火星的制导，导航和控制部门负责人解释说：“我们拥有所谓的测试三重奏。”

2014年，在Masten的Xombie VTVL系统上进行的飞行测试证明了着陆器视觉系统的相对地形导航和燃油最优的大扰动制导（G-FOLD）功能。这次飞行证明了该系统具有自动改变航向，避免下降危险并采用新计算出的通往安全着陆点的路径的能力。成功的现场测试使这项技术获得了包括在NASA 2020年火星任务中的批准。

莫汉说，前两个测试领域–硬件和仿真–是在实验室中完成的。

“在这里，我们可以测试所有条件和变量。真空，振动，温度，电气兼容性–我们使硬件步调一致，” Mohan说。“然后，通过仿真，我们对软件算法在火星上可能遇到的各种场景进行建模-太晴天，很暗的日子，大风的日子-并且我们确保系统在任何情况下都能够按预期运行。”

但是三连击的第三部分-现场测试-需要实际飞行才能使实验室结果更加严格，并为NASA任务提供高水平的技术准备。对于LVS的早期飞行测试，约翰逊及其团队将LVS安装到直升机上，并用它来自动估计飞行中的车辆位置。

约翰逊说：“这使我们达到了一定的技术准备水平，因为该系统可以监视广泛的地形，但是没有Perseverence所具有的那种下降能力。”“还需要在火箭上演示LVS。”

NASA的飞行机会计划满足了这一需求，该计划为2014年在Masten太空系统Xombie上的莫哈韦沙漠中的两次飞行提供了便利-垂直起降垂直降落（VTVL）系统的功能类似于着陆器。飞行测试表明，LVS能够通过采用新计算的到达安全着陆点的路径，引导Xombie自主改变航向并避免下降的危险。Masten的VTVL系统的早期飞行还帮助验证了用于计算行星着陆的燃油最优轨迹的算法和软件。

JPL的有效载荷和指向控制系统工程师Nikolas Trawny说，“在火箭上进行的测试几乎消除了所有尚存的疑问，并肯定地回答了LVS操作的关键问题，”他与Masten进行了2014年的现场测试。“那时我们知道LVS将在火星着陆的高速垂直下降过程中发挥作用。”

约翰逊补充说，实际上，亚轨道试验提高了技术准备水平，为接受“火星2020”任务提供了最终的接受绿灯。

约翰逊说：“当时，“飞行机会”旨在提供的测试在NASA内部确实是前所未有的。“但是事实证明，它是如此有价值，以至于现在人们期望它可以进行这类飞行测试。对于LVS而言，那些火箭飞行是我们技术开发工作的基石。”

随着2020年“火星”技术被接受，任务团队开始构建将在“毅力”上飞行的LVS的最终版本。在NASA的技术示范任务计划的推动下，该系统的副本于2019年在加州死亡谷又进行了一次直升机演示。直升飞机的飞行为期六年的多次野外测试提供了最终检查。

但莫汉指出，即使有了这些成功的示威活动，仍将有更多工作要做以确保安全着陆。她将在任务控制处着陆，并在整个过程中监控系统的运行状况。

“现实生活总是会让你投机取巧。因此，我们将在巡航阶段监视一切，检查相机的电源，确保数据按预期流动。” Mohan说。“一旦收到来自流动站的信号，即‘我已经降落并且在稳定的地面上’，那么我们就可以庆祝。”

关于飞行机会

飞行机会计划由NASA太空技术任务局（STMD）资助，并由位于加利福尼亚州爱德华兹的NASA阿姆斯特朗飞行研究中心进行管理。位于加利福尼亚州硅谷的NASA埃姆斯研究中心负责对将在商用飞行器上进行测试和演示的技术进行征集和评估。

关于技术示范任务

该计划也是在STMD的支持下，位于阿拉巴马州汉斯维尔的NASA马歇尔太空飞行中心。该计划弥合了科学和工程挑战与克服这些挑战所需的技术创新之间的鸿沟，从而实现了强大的新太空任务。

有关任务的更多信息

恒心号在火星上的任务的主要目标是天体生物学，包括寻找古代微生物生命的迹象。流浪者将表征地球的地质和过去的气候，为人类探索红色星球铺平道路，并且是收集和储存火星岩石和重石块（破碎的岩石和尘土）的第一个任务。

NASA目前正在与欧洲航天局合作考虑进行后续飞行任务，这些飞行任务将把航天器送往火星，以从地表收集这些缓存的样本，然后将它们送回地球进行深入分析。

火星2020任务是更大计划的一部分，该计划包括飞往月球的任务，这是为人类探索红色星球做准备的一种方式。NASA负责在2024年之前将宇航员送回月球，到2028年，它将通过NASA的Artemis月球探测计划在月球及其周围建立持久的人类存在。

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。