機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)車(chē)

機(jī)遇號(hào)火星探測(cè)車(chē)2004年進(jìn)行火星探測(cè)任務(wù)的地表漫游車(chē)01簡(jiǎn)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(hào)（英語(yǔ)：Opportunity），亦稱(chēng)為機(jī)會(huì)號(hào)或火星探測(cè)漫游者-B（MER-B），是一個(gè)于2004年進(jìn)行火星探測(cè)任務(wù)的地表漫游車(chē)；它是NASA火星探測(cè)漫游車(chē)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(hào)勇氣號(hào)降落在另一個(gè)地方的三周后。簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介機(jī)遇號(hào)（英語(yǔ)：Opportunity），亦稱(chēng)為機(jī)會(huì)號(hào)或火星探測(cè)漫游者-B（MER-B），是一個(gè)于2004年進(jìn)行火星探測(cè)任務(wù)的地表漫游車(chē)；它是NASA火星探測(cè)漫游車(chē)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(hào)勇氣號(hào)降落在另一個(gè)地方的三周后。機(jī)遇號(hào)已經(jīng)連續(xù)有效運(yùn)作了超過(guò)原本設(shè)計(jì)(90個(gè)日子)30倍的任務(wù)時(shí)間；由于太陽(yáng)能發(fā)電板被清潔干凈，它因此能夠繼續(xù)執(zhí)行大量對(duì)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(guò)兩年的時(shí)間研究維多利亞撞擊坑。機(jī)遇號(hào)驚險(xiǎn)的在2007年的沙塵暴中存活了下來(lái)，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(mén)，現(xiàn)負(fù)責(zé)管理火星探測(cè)漫游者計(jì)劃。目標(biāo)目標(biāo)火星探測(cè)計(jì)劃的科學(xué)目標(biāo)有以下幾點(diǎn):在接下來(lái)的二十年里，NASA將會(huì)繼續(xù)領(lǐng)導(dǎo)任務(wù)來(lái)研究生命是否曾存在于火星上；搜尋行動(dòng)在分析火星環(huán)境是否對(duì)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(guò)水的歷史對(duì)于尋找當(dāng)時(shí)火星上使否對(duì)生命適居的可能性一直存在著爭(zhēng)議。雖然火星探測(cè)漫游者計(jì)劃沒(méi)有能力去直接尋找到生命存在的證據(jù)，但是它對(duì)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(hào)是一個(gè)六輪、太陽(yáng)能動(dòng)力車(chē)，高1.5米、寬2.3米以及長(zhǎng)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(lái)適應(yīng)地形，每個(gè)輪子都有自己的馬達(dá)，車(chē)體本車(chē)裝載于前后端來(lái)讓本身能夠在30度的傾斜范圍保持安全。最高車(chē)速是5毫米/每秒(2英寸/每秒)，雖然平均速度只有最高車(chē)速的五分之一。機(jī)遇號(hào)和他的姐妹-勇氣號(hào)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(lái)保護(hù)鉆孔機(jī)械上的電纜。太陽(yáng)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(chǔ)存電力并在晚上使用將近4個(gè)小時(shí)。機(jī)遇號(hào)的車(chē)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(chǔ)器。它的車(chē)體作業(yè)溫度介于?40°C到40°C，車(chē)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(hào)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(lái)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(hào)車(chē)體上的機(jī)械手臂包括了以下儀器:相機(jī)會(huì)提供pixel的相片，資料稍后會(huì)以ICER進(jìn)行壓縮、儲(chǔ)存和傳送。定位方法無(wú)線電測(cè)控定位航跡推算太陽(yáng)圖像確定方位角視覺(jué)測(cè)程光束法平差定位地面影像與高分辨率衛(wèi)星影像對(duì)比010302040506定位方法無(wú)線電測(cè)控定位勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車(chē)用其無(wú)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(wú)線電信號(hào)的多普勒頻移來(lái)確定火星車(chē)在火星慣性參考系統(tǒng)中的位置。通過(guò)多次重復(fù)測(cè)控定位，火星車(chē)在慣性參考系統(tǒng)中的定位精度可達(dá)1～10m。無(wú)線電測(cè)控確定的火星車(chē)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(hào)火星車(chē)著陸后，美國(guó)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(cè)控站直接得到的雙向多普勒信號(hào)以及勇氣號(hào)與奧德賽軌道器在兩次通信窗口得到的雙向多普勒信號(hào)聯(lián)合處理，得到了著陸器的位置(即火星車(chē)初始位置)。機(jī)遇號(hào)著陸器的定位也采用了相同的方法。在勇氣號(hào)的第94至98火星日位置、機(jī)遇號(hào)第75至第78火星日位置火星車(chē)原地不動(dòng)實(shí)施軟件更新上載任務(wù)，無(wú)線電測(cè)控定位方法在這兩個(gè)位置再次對(duì)火星車(chē)進(jìn)行定位。著陸點(diǎn)和軟件更新位置也通過(guò)衛(wèi)星圖像中地物識(shí)別和平面三角交會(huì)的方法定位。將無(wú)線電測(cè)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(hào)兩個(gè)位置的差別均為370m左右，在機(jī)遇號(hào)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(lái)源于慣性參考系統(tǒng)和星固參考系統(tǒng)轉(zhuǎn)換帶來(lái)的誤差。此后，無(wú)線電測(cè)控定位方法還用于少數(shù)幾個(gè)火星車(chē)停留了較長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)鍵位置。無(wú)線電測(cè)控定位方法的優(yōu)點(diǎn)是全局絕對(duì)定位，缺點(diǎn)是無(wú)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(lái)的誤差。適合用于著陸器定位和火星車(chē)停留較長(zhǎng)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(chē)的位置和姿態(tài)，不依賴(lài)于外界環(huán)境信息，是一種車(chē)上實(shí)時(shí)自主定位方法。勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車(chē)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(cè)，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(chē)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(guò)10m。航跡推算法的優(yōu)點(diǎn)是功耗小、自主性強(qiáng)、計(jì)算簡(jiǎn)單、相對(duì)廉價(jià)，缺點(diǎn)是IMU隨時(shí)間漂移及車(chē)輪打滑在長(zhǎng)距離導(dǎo)航定位中會(huì)產(chǎn)生較大誤差，例如在勇氣號(hào)著陸區(qū)的哥倫比亞山、機(jī)遇號(hào)著陸區(qū)的鷹坑(Ea-gleCrater)和耐力坑(EnduranceCrater)上坡時(shí)出現(xiàn)過(guò)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(chē)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(chē)上實(shí)時(shí)定位方法仍然會(huì)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(duì)其定位誤差進(jìn)行定期或不定期的改正。太陽(yáng)圖像確定方位角勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車(chē)還用其Pancam作為太陽(yáng)敏感器獲取太陽(yáng)圖像，確定圖像中太陽(yáng)質(zhì)心位置，計(jì)算相對(duì)于火星車(chē)參考系統(tǒng)的太陽(yáng)方位角和高度角，然后利用太陽(yáng)星歷表和太陽(yáng)時(shí)計(jì)算太陽(yáng)方位角和高度角，通過(guò)兩組姿態(tài)的關(guān)系計(jì)算火星車(chē)相對(duì)于正北方向的絕對(duì)方位角，改正IMU隨時(shí)間漂移帶來(lái)的方位角累積誤差。根據(jù)在地球上的測(cè)試，用太陽(yáng)圖像確定方位角的精度為±3°。這一方法無(wú)法單獨(dú)用于探測(cè)車(chē)定位，未來(lái)的月球車(chē)和火星車(chē)探測(cè)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(cè)定精度。視覺(jué)測(cè)程視覺(jué)測(cè)程法(VisualOdometry，VO)基于連續(xù)拍攝的導(dǎo)航相機(jī)立體像對(duì)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(duì)的位置和姿態(tài)實(shí)現(xiàn)車(chē)上實(shí)時(shí)定位，改正由航跡推算方法在車(chē)輪打滑時(shí)帶來(lái)的較大定位誤差。JPL開(kāi)發(fā)的VO算法的基本過(guò)程是:為了保證前后立體像對(duì)間有較大的重疊和較小的目標(biāo)形狀變化，相鄰像對(duì)間拍攝間距不超過(guò)75cm，攝影方位角的變化不超過(guò)18°。由于火星車(chē)上計(jì)算機(jī)速度的限制，獲取和處理一個(gè)立體像對(duì)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(wú)法用于勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)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(chē)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(jué)測(cè)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(chē)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(hào)有184個(gè)火星日行駛，其中52個(gè)火星日應(yīng)用了視覺(jué)測(cè)程，計(jì)算收斂成功率為97%;機(jī)遇號(hào)有172個(gè)火星日行駛，其中75個(gè)火星日應(yīng)用了視覺(jué)測(cè)程，成功率為95%。VO不成功的情況一般是沒(méi)有足夠的特征點(diǎn)、特征點(diǎn)分布范圍太小、火星車(chē)自身陰影的影響等?？傊?，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星車(chē)所用的視覺(jué)測(cè)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(chē)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(lài)于地形特征。光束法平差定位美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)制圖與地理信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)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(lái)構(gòu)成圖像，通過(guò)對(duì)圖像的攝影測(cè)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(chē)的長(zhǎng)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(cè)試表明，利用降落圖像和地面火星車(chē)圖像聯(lián)合光束法平差定位精度達(dá)0.1%，僅用火星車(chē)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(chē)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(dòng)化，需要在地球上計(jì)算。對(duì)勇氣號(hào)火星車(chē)的光束法平差定位從著陸點(diǎn)開(kāi)始一直持續(xù)，BA改正了航跡推算法在車(chē)輪打滑和IMU漂移帶來(lái)的較大的累積誤差。例如:從第154至第670個(gè)火星日，勇氣號(hào)從山腳下爬上了Husband山的山頂并開(kāi)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(duì)誤差為10.5%(行駛540.6m時(shí)累積誤差56.6m)。由于火星上沒(méi)有GPS提供精確的地面實(shí)況數(shù)據(jù)，無(wú)法精確評(píng)估火星車(chē)的絕對(duì)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(chē)轍。用此衛(wèi)星圖像中觀測(cè)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(duì)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(duì)比盡管VO和BA方法的定位精度遠(yuǎn)高于航跡推算法，它們?cè)陂L(zhǎng)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(huì)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(chē)定位的誤差累積?；鹦切l(wèi)星圖像的分辨率越來(lái)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。可以用火星車(chē)圖像產(chǎn)生的正射影像同高分辨率圖