火星探测车( 五 ) _生活百科

文章插图
”勇气号“火星探测车勇气号火星车着陆后，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)导航团队把第2个火星日至第4 个火星日地球测控站直接得到的双向都卜勒信号以及勇气号与奥德赛轨道器在两次通信视窗得到的双向都卜勒信号联合处理，得到了着陆器的位置(即火星车初始位置) 。机遇号着陆器的定位也採用了相同的方法。在勇气号的第94 至98 火星日位置、机遇号第75 至第78 火星日位置火星车原地不动实施软体更新上载任务，无线电测控定位方法在这两个位置再次对火星车进行定位。着陆点和软体更新位置也通过卫星图像中地物识别和平面三角交会的方法定位。将无线电测控定位位置转换至星固参考系统并与基于卫星图像定位的位置相比较发现，两种定位方法勇气号两个位置的差别均为370m左右，在机遇号的两个位置均为135m左右，表明两种方法都精确、可靠，两种方法得到的位置的差别主要来源于惯性参考系统和星固参考系统转换带来的误差。此后，无线电测控定位方法还用于少数几个火星车停留了较长时间的关键位置。无线电测控定位方法的优点是全局绝对定位，缺点是无法实现实时自主定位。应当结合其他方法使用，并消除惯性参考系统和星固参考系统坐标转换带来的误差。适合用于着陆器定位和火星车停留较长位置的定位。航迹推算航迹推算法(Dead Reckoning)基于里程表和惯性导航器件(Inertial Measurement Unit , IMU)计算火星车的位置和姿态，不依赖于外界环境信息，是一种车上实时自主定位方法。勇气号和机遇号火星车所用IMU是Litton LN-200型，由表面姿态位置及指向(Surface Attitude Position and Pointing，SAPP)软体以8Hz的频率计算和更新其姿态和位置，其中姿态更新由三轴加速度计和三轴陀螺仪量测，位置由IMU和里程计转数共同计算。SAPP软体获取火星车位置的设计精度为行驶距离的10%，即在100m的行驶距离累积定位误差不超过10m 。

文章插图
”好奇号“火星探测车航迹推算法的优点是功耗小、自主性强、计算简单、相对廉价，缺点是IMU随时间漂移及车轮打滑在长距离导航定位中会产生较大误差，例如在勇气号着陆区的哥伦比亚山、机遇号着陆区的鹰坑(Eagle Crater)和耐力坑(Endurance Crater)上坡时出现过严重的打滑现象，其中在哥伦比亚山上坡时有一次高达125%的车轮打滑(指令是向前行驶，实际打滑到后面) 。根据其固有的优缺点，航迹推算法作为基本的车上实时定位方法仍然会被广泛套用，当有条件套用其他精度较高的方法时再对其定位误差进行定期或不定期的改正。太阳图像确定方位角勇气号和机遇号火星车还用其Pancam作为太阳敏感器获取太阳图像，确定图像中太阳质心位置，计算相对于火星车参考系统的太阳方位角和高度角，然后利用太阳星曆表和太阳时计算太阳方位角和高度角，通过两组姿态的关係计算火星车相对于正北方向的绝对方位角，改正IMU随时间漂移带来的方位角累积误差。根据在地球上的测试，用太阳图像确定方位角的精度为±3° 。这一方法无法单独用于探测车定位，未来的月球车和火星车探测任务中应与航迹推算法结合使用，用于不定期地改进方位角测定精度。视觉测程视觉测程法(Visual Odometry，VO)基于连续拍摄的导航相机立体像对在二维影像平面和三维地面空间追蹤特徵点并估计相对的位置和姿态实现车上实时定位，改正由航迹推算方法在车轮打滑时带来的较大定位误差。JPL开发的VO算法的基本过程是：1)在第一个立体像对上用F?rstner运算元提取特徵点；2)用相关係数法在第一个立体像对上进行特徵点匹配，并用双二次方内插方法将匹配位置定位到子像素，计算匹配成功的特徵点三维坐标；3)根据航迹推算获得的第二个立体像对的位置和姿态将这些三维点投影到第二个立体相对中，用相关係数法匹配实现特徵点的追蹤并计算新的三维坐标；4)用RANSAC方法在计算两组三维点六自由度刚性变换过程中剔除匹配和追蹤的粗差，最后用最大似然估计计算第二个立体像对相对于第一对立体像对的位置和姿态变化，进而获得火星车在前后两个位置间的位置和姿态变化；5)对新获取的立体像对重複以上过程，更新火星车位置和姿态，若提取和追蹤的特徵点数量不足或最终的位置和姿态估计不收敛，则不更新而沿用航迹推算法得到的位置和姿态。为了保证前后立体像对间有较大的重叠和较小的目标形状变化，相邻像对间拍摄间距不超过75cm，摄影方位角的变化不超过18° 。由于火星车上计算机速度的限制，获取和处理一个立体像对并更新位置和姿态需要近3min的时间，速度太慢，因而VO无法用于勇气号和机遇号的全行程，而是用于部分短距离关键路径上的局部定位(一般小于15m)，如预计车轮打滑时、接近指定的科学目标时。JPL曾在地球上模拟火星环境下多次试验验证视觉测程法的有效性和精度。在“火星庭院”的一次典型试验中，火星车行驶了24m，VO定位误差小于2.5 %；在“詹森山谷” 的一次29m行驶试验中，VO产生的定位误差小于1.5 % 。据JPL研究者的报导，从着陆至2005年3月5日的一年多时间里，勇气号有184个火星日行驶，其中52个火星日套用了视觉测程，计算收敛成功率为97%；机遇号有172个火星日行驶，其中75个火星日套用了视觉测程，成功率为95% 。VO不成功的情况一般是没有足够的特徵点、特徵点分布範围太小、火星车自身阴影的影响等。总之，勇气号和机遇号火星车所用的视觉测程方法的优点是自主性强、精度较高，能改正航迹推算方法在车轮打滑和IMU漂移时的定位误差；其缺点是计算速度慢、只能套用于局部定位，成功与否依赖于地形特徵。VO速度慢的缺点部分是由于火星车计算机的计算能力限制，未来的火星车或月球车计算机的计算能力应该会强得多。针对在地形特徵贫乏情况下VO失败的情况，应开发新的算法并结合其他定位方法予以克服。随着计算机能力的提高和算法的改进，未来的VO定位方法是可以实现快速、全程定位，可望得到广泛套用。光束法平差定位美国俄亥俄州立大学製图与地理信息系统实验室开发的基于光束法平差(Bundle Adjustment，BA)的定位方法是将导航相机和全景相机在不同摄站拍摄的图像连线起来构成图像网，通过对图像网的摄影测量光束法平差，提高图像位置和方位参数以及地麵点位置的精度和一致性，从而实现火星车的长距离高精度定位。在加利福尼亚银湖沙漠同JPL做的联合野外测试表明，利用降落图像和地面火星车图像联合光束法平差定位精度达0.1%，仅用火星车图像的光束法平差定位精度为0.2% 。光束法平差定位方法的优点是不需要短距离连续拍照，可以在火星车整个路径上进行全局定位，定位精度较高，缺点是尚未达到全自动化，目前需要在地球上计算。对勇气号火星车的光束法平差定位从着陆点开始一直持续至今，BA改正了航迹推算法在车轮打滑和IMU漂移带来的较大的累积误差。例如：从第154至第670个火星日，勇气号从山脚下爬上了Husband山的山顶并开始下坡，同BA定位结果相比，航迹推算法定位累积误差为67.9m，占行驶距离1.85km的3.7%，其中最大相对误差为10.5%(行驶540.6m 时累积误差56.6m) 。由于火星上目前没有GPS 提供精确的地面实况数据，无法精确评估火星车的绝对定位精度。然而，在2005年1月3日发布的MOC NA (Mars Orbital Camera，Narrow Angle)1m解析度的卫星影像中，可以看到从着陆点到哥伦比亚山的大部分车辙。用此卫星图像中观测到的行驶路线与光束法平差定位得到的行驶路线进行对比，发现在路线终点的差别为12m，约为行驶距离3.08km的0.4% 。此误差间接表达了BA定位的精度，其中也包含了卫星影像处理的误差。自机遇号在“鹰坑”内着陆至第62个火星日，基于光束法平差的定位处理改正了由于车轮打滑带来的高达21%的定位误差。此后，由于该区火星表面几乎没有岩石等明显特徵，行驶距离过长而没有拍摄图像，使得基于BA的连续定位方法无法实施。在能够观测到明显特徵(如陨石坑)的地方，用火星车图像产生的正射影像同卫星影像地图对比来对机遇号火星车定位。光束法平差定位方法应当在未来的月球车和火星车探测任务中发挥重要的作用。需要进一步增强该方法，提高自动化程度，关键之一是自动选取相邻摄站间的连线点构成影像区域网。近两年，俄亥俄州立大学与JPL联合开发了基于BA和VO集成的长距离火星车定位技术，在保持高精度的前提下显着提高了自动化程度，并在银湖沙漠进行了测试。地面影像与高解析度卫星影像对比儘管VO和BA方法的定位精度远高于航迹推算法，它们在长距离的定位中仍然不可避免地有误差累积。即使BA 的定位精度为0.2%，10km的行驶路线也会产生20m的累积误差。可以套用高解析度的卫星图像消除仅利用地面感测器和图像进行火星车定位的误差累积。目前，火星卫星图像的解析度越来越高，如HiRISE图像解析度为30cm，为实现这一目的提供了有利条件。可以用火星车图像产生的正射影像同高解析度图像叠加对比；在多个HiRISE图像中观测到了火星车，可以直接定位消除累积误差；对于勇气号着陆区多石块的特点，可以通过匹配分别从火星车图像和HiRISE图像中提取的石块实现火星车在卫星图像上的定位。在业务化运行过程中，这些方法基本上是以手工方式实现的。中科院遥感所的行星遥感製图与导航定位研究组，近期在地面与卫星影像集成的探测车定位方面取得了积极的进展，实现了地面影像与高解析度卫星影像的自动配準和和火星车定位，定位精度优于卫星图像一个像素(HiRISE图像30cm) 。中国首个火星探测车设计图公布2016年8月23日，“中国火星探测工程名称和图形标识全球徵集活动启动仪式暨新闻发布会”在京召开。发布会上，官方首次公布了火星探测器和火星车的外观设计造型。火星是太阳系中离地球较近的行星，且自然环境与地球最为类似，是人类开展行星际探测的首选目标。中国首次火星探测任务将于2020年实施，一步实现“绕、着、巡”的目标。国家国防科工局探月与航天工程中心2016年8月23日发布中国第一个火星探测器和火星车外观设计构型图。中国首次火星探测任务工程火星探测器总设计师孙泽洲介绍，和玉兔号月球车一样，火星车的能源获得依靠太阳能。由于火星光照强度小，火星大气对阳光有削减作用，火星车能源供给比月球车更困难，火星车比“玉兔”多设计出两个“翅膀” 。探测器将搭载用于火星全球遥感的相机、探测火星地下浅层结构的雷达等13台科学载荷，对火星的形貌、土壤、环境、大气、水冰分布、物理场和内部结构进行探测。“着陆巡视器的着陆点初步定在火星北纬低纬度的区域。”中科院院士、火星探测器系统顾问叶培建说，着陆巡视器与环绕器分离后进入火星大气，经气动外形减速、降落伞减速和反推发动机动力减速，最后下降着陆火星表面，火星车驶离着陆平台，开始表面巡视探测。环绕器在轨道上进行科学探测，并为火星车提供对地数据中继服务。中国首次火星探测任务工程总设计师张荣桥说，火星距离地球最远达4亿公里，2020年中国首次火星探测一次实现“环绕、着陆、巡视”3个目标，这是其他国家第一次实施火星探测从未有过的，面临的挑战也是前所未有。