機(jī)遇號火星探測車

機(jī)遇號火星探測車2004年進(jìn)行火星探測任務(wù)的地表漫游車01簡介設(shè)計(jì)構(gòu)造目標(biāo)定位方法目錄030204基本信息機(jī)遇號（英語：Opportunity），亦稱為機(jī)會號或火星探測漫游者-B（MER-B），是一個(gè)于2004年進(jìn)行火星探測任務(wù)的地表漫游車；它是NASA火星探測漫游車任務(wù)的兩輛中的其中一輛。它在2003年從地球發(fā)射，并于2004年1月25日地表UTC時(shí)間05:05(大約當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:15)降落在子午線高原，差不多也是在姐妹號勇氣號降落在另一個(gè)地方的三周后。簡介簡介機(jī)遇號（英語：Opportunity），亦稱為機(jī)會號或火星探測漫游者-B（MER-B），是一個(gè)于2004年進(jìn)行火星探測任務(wù)的地表漫游車；它是NASA火星探測漫游車任務(wù)的兩輛中的其中一輛。它在2003年從地球發(fā)射，并于2004年1月25日地表UTC時(shí)間05:05(大約當(dāng)?shù)貢r(shí)間13:15)降落在子午線高原，差不多也是在姐妹號勇氣號降落在另一個(gè)地方的三周后。機(jī)遇號已經(jīng)連續(xù)有效運(yùn)作了超過原本設(shè)計(jì)(90個(gè)日子)30倍的任務(wù)時(shí)間；由于太陽能發(fā)電板被清潔干凈，它因此能夠繼續(xù)執(zhí)行大量對火星巖石的地質(zhì)分析和地表描繪。任務(wù)的重點(diǎn)包括了完成90個(gè)火星日的任務(wù)，發(fā)現(xiàn)了火星上的第一個(gè)隕石隔熱罩巖(在子午線高原)，以及超過兩年的時(shí)間研究維多利亞撞擊坑。機(jī)遇號驚險(xiǎn)的在2007年的沙塵暴中存活了下來，現(xiàn)在正朝向奮斗撞擊坑前進(jìn)。位于帕薩迪納的噴射推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)，是加州理工學(xué)院的一個(gè)下屬部門，現(xiàn)負(fù)責(zé)管理火星探測漫游者計(jì)劃。目標(biāo)目標(biāo)火星探測計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)有以下幾點(diǎn):在接下來的二十年里，NASA將會繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)任務(wù)來研究生命是否曾存在于火星上；搜尋行動在分析火星環(huán)境是否對生命適居時(shí)一同進(jìn)行。生命，如我們所知必須要有水才能生存，因此火星上曾經(jīng)存在過水的歷史對于尋找當(dāng)時(shí)火星上使否對生命適居的可能性一直存在著爭議。雖然火星探測漫游者計(jì)劃沒有能力去直接尋找到生命存在的證據(jù)，但是它對于火星史上的自然環(huán)境是否可居提供了非常重要的資訊

。設(shè)計(jì)構(gòu)造設(shè)計(jì)構(gòu)造機(jī)遇號是一個(gè)六輪、太陽能動力車，高1.5米、寬2.3米以及長1.6米、180公斤重。六個(gè)輪子上有鋸齒狀的凸出紋路(rocker-bogie)來適應(yīng)地形，每個(gè)輪子都有自己的馬達(dá)，車體本車裝載于前后端來讓本身能夠在30度的傾斜范圍保持安全。最高車速是5毫米/每秒(2英寸/每秒)，雖然平均速度只有最高車速的五分之一。機(jī)遇號和他的姐妹-勇氣號都載有紐約世貿(mào)大樓的金屬殘片，這些殘片重新制成護(hù)盾來保護(hù)鉆孔機(jī)械上的電纜。太陽能板陣列能夠在每個(gè)火星日產(chǎn)生約140瓦的電力讓可充電式的鋰離子電池儲存電力并在晚上使用將近4個(gè)小時(shí)。機(jī)遇號的車體上的電腦使用了一個(gè)20MHZ的RAD6000中央處理器、128MB的DRAM、3MB的EEPROM以及256MB的快閃存儲器。它的車體作業(yè)溫度介于?40°C到40°C，車上由電熱器在必要時(shí)能支援的放射性同位素?zé)犭姍C(jī)也提供了基本的溫度控制。一個(gè)黃金薄膜和一層二氧化硅氣凝膠進(jìn)行隔熱。機(jī)遇號和地球之間的通訊以一架低增益天線以低傳輸速度進(jìn)行溝通，也有一架高增益天線也進(jìn)行通訊。低增益天線也用來向環(huán)繞火星的軌道器傳輸資料。修正后的科學(xué)/工程儀器包括了:機(jī)遇號車體上的機(jī)械手臂包括了以下儀器:相機(jī)會提供pixel的相片，資料稍后會以ICER進(jìn)行壓縮、儲存和傳送。定位方法無線電測控定位航跡推算太陽圖像確定方位角視覺測程光束法平差定位地面影像與高分辨率衛(wèi)星影像對比010302040506定位方法無線電測控定位勇氣號和機(jī)遇號火星車用其無線電系統(tǒng)同地球跟蹤站直接通信或與火星軌道器通信，根據(jù)無線電信號的多普勒頻移來確定火星車在火星慣性參考系統(tǒng)中的位置。通過多次重復(fù)測控定位，火星車在慣性參考系統(tǒng)中的定位精度可達(dá)1～10m。無線電測控確定的火星車位置可以轉(zhuǎn)換到星固參考系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)換精度為±250m。勇氣號火星車著陸后，美國噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JetPropulsionLaboratory，JPL)導(dǎo)航團(tuán)隊(duì)把第2個(gè)火星日至第4個(gè)火星日地球測控站直接得到的雙向多普勒信號以及勇氣號與奧德賽軌道器在兩次通信窗口得到的雙向多普勒信號聯(lián)合處理，得到了著陸器的位置(即火星車初始位置)。機(jī)遇號著陸器的定位也采用了相同的方法。在勇氣號的第94至98火星日位置、機(jī)遇號第75至第78火星日位置火星車原地不動實(shí)施軟件更新上載任務(wù)，無線電測控定位方法在這兩個(gè)位置再次對火星車進(jìn)行定位。著陸點(diǎn)和軟件更新位置也通過衛(wèi)星圖像中地物識別和平面三角交會的方法定位。將無線電測控定位位置轉(zhuǎn)換至星固參考系統(tǒng)并與基于衛(wèi)星圖像定位的位置相比較發(fā)現(xiàn)，兩種定位方法勇氣號兩個(gè)位置的差別均為370m左右，在機(jī)遇號的兩個(gè)位置均為135m左右，表明兩種方法都精確、可靠，兩種方法得到的位置的差別主要來源于慣性參考系統(tǒng)和星固參考系統(tǒng)轉(zhuǎn)換帶來的誤差。此后，無線電測控定位方法還用于少數(shù)幾個(gè)火星車停留了較長時(shí)間的關(guān)鍵位置。無線電測控定位方法的優(yōu)點(diǎn)是全局絕對定位，缺點(diǎn)是無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自主定位。應(yīng)當(dāng)結(jié)合其他方法使用，并消除慣性參考系統(tǒng)和星固參考系統(tǒng)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換帶來的誤差。適合用于著陸器定位和火星車停留較長位置的定位

。航跡推算航跡推算法(DeadReckoning)基于里程表和慣性導(dǎo)航器件(InertialMeasurementUnit，IMU)計(jì)算火星車的位置和姿態(tài)，不依賴于外界環(huán)境信息，是一種車上實(shí)時(shí)自主定位方法。勇氣號和機(jī)遇號火星車所用IMU是LittonLN-200型，由表面姿態(tài)位置及指向(SurfaceAttitudePositionandPointing，SAPP)軟件以8Hz的頻率計(jì)算和更新其姿態(tài)和位置，其中姿態(tài)更新由三軸加速度計(jì)和三軸陀螺儀量測，位置由IMU和里程計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)共同計(jì)算。SAPP軟件獲取火星車位置的設(shè)計(jì)精度為行駛距離的10%，即在100m的行駛距離累積定位誤差不超過10m。航跡推算法的優(yōu)點(diǎn)是功耗小、自主性強(qiáng)、計(jì)算簡單、相對廉價(jià)，缺點(diǎn)是IMU隨時(shí)間漂移及車輪打滑在長距離導(dǎo)航定位中會產(chǎn)生較大誤差，例如在勇氣號著陸區(qū)的哥倫比亞山、機(jī)遇號著陸區(qū)的鷹坑(Ea-gleCrater)和耐力坑(EnduranceCrater)上坡時(shí)出現(xiàn)過嚴(yán)重的打滑現(xiàn)象，其中在哥倫比亞山上坡時(shí)有一次高達(dá)125%的車輪打滑(指令是向前行駛，實(shí)際打滑到后面)。根據(jù)其固有的優(yōu)缺點(diǎn)，航跡推算法作為基本的車上實(shí)時(shí)定位方法仍然會被廣泛應(yīng)用，當(dāng)有條件應(yīng)用其他精度較高的方法時(shí)再對其定位誤差進(jìn)行定期或不定期的改正。太陽圖像確定方位角勇氣號和機(jī)遇號火星車還用其Pancam作為太陽敏感器獲取太陽圖像，確定圖像中太陽質(zhì)心位置，計(jì)算相對于火星車參考系統(tǒng)的太陽方位角和高度角，然后利用太陽星歷表和太陽時(shí)計(jì)算太陽方位角和高度角，通過兩組姿態(tài)的關(guān)系計(jì)算火星車相對于正北方向的絕對方位角，改正IMU隨時(shí)間漂移帶來的方位角累積誤差。根據(jù)在地球上的測試，用太陽圖像確定方位角的精度為±3°。這一方法無法單獨(dú)用于探測車定位，未來的月球車和火星車探測任務(wù)中應(yīng)與航跡推算法結(jié)合使用，用于不定期地改進(jìn)方位角測定精度。視覺測程視覺測程法(VisualOdometry，VO)基于連續(xù)拍攝的導(dǎo)航相機(jī)立體像對在二維影像平面和三維地面空間追蹤特征點(diǎn)并估計(jì)相對的位置和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)車上實(shí)時(shí)定位，改正由航跡推算方法在車輪打滑時(shí)帶來的較大定位誤差。JPL開發(fā)的VO算法的基本過程是:為了保證前后立體像對間有較大的重疊和較小的目標(biāo)形狀變化，相鄰像對間拍攝間距不超過75cm，攝影方位角的變化不超過18°。由于火星車上計(jì)算機(jī)速度的限制，獲取和處理一個(gè)立體像對并更新位置和姿態(tài)需要近3min的時(shí)間，速度太慢，因而VO無法用于勇氣號和機(jī)遇號的全行程，而是用于部分短距離關(guān)鍵路徑上的局部定位(一般小于15m)，如預(yù)計(jì)車輪打滑時(shí)、接近指定的科學(xué)目標(biāo)時(shí)。JPL曾在地球上模擬火星環(huán)境下多次試驗(yàn)驗(yàn)證視覺測程法的有效性和精度。在“火星庭院”的一次典型試驗(yàn)中，火星車行駛了24m，VO定位誤差小于2.5%;在“約翰遜山谷”的一次29m行駛試驗(yàn)中，VO產(chǎn)生的定位誤差小于1.5%。據(jù)JPL研究者的報(bào)道，從著陸至2005年3月5日的一年多時(shí)間里，勇氣號有184個(gè)火星日行駛，其中52個(gè)火星日應(yīng)用了視覺測程，計(jì)算收斂成功率為97%;機(jī)遇號有172個(gè)火星日行駛，其中75個(gè)火星日應(yīng)用了視覺測程，成功率為95%。VO不成功的情況一般是沒有足夠的特征點(diǎn)、特征點(diǎn)分布范圍太小、火星車自身陰影的影響等?？傊?，勇氣號和機(jī)遇號火星車所用的視覺測程方法的優(yōu)點(diǎn)是自主性強(qiáng)、精度較高，能改正航跡推算方法在車輪打滑和IMU漂移時(shí)的定位誤差;其缺點(diǎn)是計(jì)算速度慢、只能應(yīng)用于局部定位，成功與否依賴于地形特征。光束法平差定位美國俄亥俄州立大學(xué)制圖與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的基于光束法平差(BundleAdjustment，BA)的定位方法是將導(dǎo)航相機(jī)和全景相機(jī)在不同攝站拍攝的圖像連接起來構(gòu)成圖像，通過對圖像的攝影測量光束法平差，提高圖像位置和方位參數(shù)以及地面點(diǎn)位置的精度和一致性，從而實(shí)現(xiàn)火星車的長距離高精度定位。在加利福尼亞銀湖沙漠同JPL做的聯(lián)合野外測試表明，利用降落圖像和地面火星車圖像聯(lián)合光束法平差定位精度達(dá)0.1%，僅用火星車圖像的光束法平差定位精度為0.2%。光束法平差定位方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要短距離連續(xù)拍照，可以在火星車整個(gè)路徑上進(jìn)行全局定位，定位精度較高，缺點(diǎn)是尚未達(dá)到全自動化，需要在地球上計(jì)算。對勇氣號火星車的光束法平差定位從著陸點(diǎn)開始一直持續(xù)，BA改正了航跡推算法在車輪打滑和IMU漂移帶來的較大的累積誤差。例如:從第154至第670個(gè)火星日，勇氣號從山腳下爬上了Husband山的山頂并開始下坡，同BA定位結(jié)果相比，航跡推算法定位累積誤差為67.9m，占行駛距離1.85km的3.7%，其中最大相對誤差為10.5%(行駛540.6m時(shí)累積誤差56.6m)。由于火星上沒有GPS提供精確的地面實(shí)況數(shù)據(jù)，無法精確評估火星車的絕對定位精度。然而，在2005年1月3日發(fā)布的MOCNA(MarsOrbitalCamera，NarrowAngle)1m分辨率的衛(wèi)星影像中，可以看到從著陸點(diǎn)到哥倫比亞山的大部分車轍。用此衛(wèi)星圖像中觀測到的行駛路線與光束法平差定位得到的行駛路線進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在路線終點(diǎn)的差別為12m，約為行駛距離3.08km的0.4%。此誤差間接表達(dá)了BA定位的精度，其中也包含了衛(wèi)星影像處理的誤差。地面影像與高分辨率衛(wèi)星影像對比盡管VO和BA方法的定位精度遠(yuǎn)高于航跡推算法，它們在長距離的定位中仍然不可避免地有誤差累積。即使BA的定位精度為0.2%，10km的行駛路線也會產(chǎn)生20m的累積誤差?？梢詰?yīng)用高分辨率的衛(wèi)星圖像消除僅利用地面?zhèn)鞲衅骱蛨D像進(jìn)行火星車定位的誤差累積?；鹦切l(wèi)星圖像的分辨率越來越高，如HiRISE圖像分辨率為30cm，為實(shí)現(xiàn)這一目的提供了有利條件?？梢杂没鹦擒噲D像產(chǎn)生的正射影像同高分辨率圖