火星生活 | NASA

想去火星吗？希望你可以喜欢蓝色的夕阳和日复一日的地下生活。

 毅力号（Perseverance）是用于“火星2020”（Mars 2020）任务中的火星车，由美国国家航空航天局（NASA）下属位于南加州的喷气推进实验室（Jet Propulsion Laboratory，JPL）制造。毅力号于美东时间2020年7月30日上午7:50发射，经过一趟历时7个月，历程4.8亿公里的旅行后于加州时间2021年2月18日下午3时55分成功登陆火星，降落在杰泽罗陨石坑（Jezero Crater）。

“毅力号”着陆过程 | NASA

 毅力号着陆点与先前成功的其他火星车着陆点一览 | NASA

由于杰泽罗陨石坑曾是湖泊，地质古老，地形丰富，是微生物繁殖的潜在温床，因此毅力号此次的工作任务就是探测其附近的火星表面，以寻找古老微生物的生命迹象并取得样本。为此，毅力号还携带了 7 种科学仪器，23 个摄影镜头，2个麦克风和1台名为机智号（Ingenuity，又名“小机灵”）的无人机来配合它进行科学研究。

毅力号所携带的7种科学仪器 | NASA

这7种仪器分别为：

• 变焦全景相机 Mastcam-Z

一种安装在桅杆上的高清成像摄像机系统，具有全景、立体和缩放功能，可生成高清晰度的全景 3D 立体图像。

• 激光超距分析仪 SuperCam

包括照相机，激光和光谱仪，可搜索与火星早期生命可能有关的有机化合物。 它可以在7米外就识别出目标物中小如铅笔尖的化学和矿物成分。

• 火星环境动力学分析仪 MEDA

进行天气测量，包括风速和风向，温度和湿度，同时测量火星大气层中尘埃颗粒的数量和大小。

• 紫外光谱仪  SHERLOC

SHERLOC安装在毅力号的机械臂上，使用照相机，光谱仪和激光来搜索被水性环境所改变的有机物和矿物质，实现扫描可居住环境的目的。 

• X射线仪 PIXL

可利用 X 射线对火星沙粒进行精准的分析，寻找火星微生物的生命痕迹。 

• 制氧仪 MOXIE

旨在从地球大气中的二氧化碳中提取氧气，为航天器返回地球提供燃料来源的同时也为未来宇航员登陆火星吸氧做准备，以此实现 NASA 的“造氧计划”。 

• 火星地下实验用雷达成像仪 RIMFAX

使用雷达波以厘米级分辨率探测火星的地下结构。

毅力号在安全着陆后拍摄的第一张照片中照到了自己的倒影 | The San Diego Union-Tribune

- 谁参与了毅力号的设计？-

所有用于太空的电力电子设备都必须能够承受住极端的辐射，冲击，振动和温度。新思科技（Synopsys）的光学工程师们与马林太空系统公司（Malin Space Science Systems）和亚利桑那州立大学（Arizona State University）合作，使用其CODE V光学设计软件（CODE V Optical Design Software）设计了Mastcam-Z变焦镜头系统。镜头需要在扩展的可见光谱范围内进行正确校正，并且需要在至少3倍变焦范围内操作，同时能够从靠近漫游车聚焦到无限远。镜头还需要适应在较大的温差内进行工作，例如极端温度梯度。这些操作条件都需要大量的设计工作以及详尽的分析研究。

英飞凌的IR HiRel公司也为漫游车提供了数千种关键任务辐射硬化组件。从1997年的旅居者号（Sojourner）开始，到2004年的机遇号（Opportunity）和精神号（Spirit），再到2012年的好奇号（Curiosity），这已经是英飞凌的产品第五次登上火星探测器。多个漫游车子系统，例如飞行计算机，电机控制，雷达和任务仪器套件，集成了IR HiRel空间级MOSFETs，IC和其他电源控制产品，可确保在恶劣的空间环境中可靠地运行。

英飞凌为太空和其他恶劣环境提供独特的产品组合，包括高可靠性，抗辐射功率转换和RF解决方案 | Infineon

高通在太空探索中也发挥了重要作用，由于目前毅力号携带的无人机机智号主要以实验和测试为目的，目标不算高，但对实时数据处理（包括飞行时的姿态控制、图像处理等任务）要求很高，以至于火星车上搭载的成熟产品并不能满足要求。因此喷气推进实验室（JPL）为其配备了民用的高通骁龙处理器801以及高通飞行控制面板。

除了高通，机智号还使用了其他民用科技进行搭建。JPL工程师Tim Canham在接受IEEE Spectrum采访时表示，除了处理器，机智号的导航设备，包括惯性测量单元IMU、激光测距仪等等设备，都是通过电商平台SparkFun购买的普通手机级硬件。他表示，JPL不怕承担风险，愿意尝试新的途径和方法来实现目标。如果民用科技使用效果良好，JPL在后续也会继续使用它们。

另外值得一提的一点是，之前NASA的火星探测器使用的都是VxWorks商业操作系统，Tim Canham表示这是NASA第一次在火星上运行JPL为机智号开发的已经开源的Linux飞行控制系统。这也就意味着任何开发者都能在Github上下载NASA火星无人机的同款代码，并用在自己的飞行器上。在Canham看来，这对于JPL来说是一个全新的尝试，因为JPL本身还是倾向于安全可靠的产品，不过既然很多人对此感到非常兴奋，JPL也很期待做出这样的尝试。

无人机机智号 | NASA

- 在地球过火星时间的人们 -

登上火星后，毅力号之后的探测路线全由JPL的“机器人界面与视觉化小组”（Robot Interfaces and Visualization）来操控。在接受采访时，华裔工程师Jeng Yen表示，他们会按照火星时间打卡上下班：每当火星进入黑夜，控制中心就开始上班编排程式指令；到了火星的早晨，再把写好的程序传输过去，让漫游车开始工作。由于火星在进入夜晚后温度会降到零下80摄氏度，漫游车在这种情况下需要花费大量时间才能运转起来，因此在经过计算后，探测车只在白天执行任务。

从地球到火星，信号的来回并非同步，而是要历时半个小时，因此工程师们必须都要事先安排好工作，交给漫游车上的装置执行。不过相较之前的漫游车，毅力号全新的自主导航系统已经有所缓解这一问题。类似自动驾驶汽车，毅力号具有高分辨率的广角彩色摄像机和专用的处理单元，可将图像转换为地形图并选择通过它们的路径。能够自行走得更远意味着漫游车可以覆盖更多的范围。机遇号记录的单火星日最长的行驶距离为大约214米，而毅力号的目标是在减少人类投入的情况下可以基本接近或覆盖此距离。

MSL自主导航的三种表示形式：操作员限制空间，漫游车解释地形，以及在类似地形中漫游车的3D视图 | JPL

- OPTIMISM，毅力号的双胞胎兄弟 -

毅力号是台前的明星，不过幕后还有我们不能忽视的OPTIMISM——他是毅力号的双胞胎兄弟，在地球上默默做着支持工作。

OPTIMISM | CNET

OPTIMISM（Operational Perseverance Twin for Integration of Mechanisms and Instruments Sent to Mars的缩写）是毅力号的全比例工程版，实际上是一个测试机器人，旨在尽可能地模拟毅力号在火星上要经历的实际任务。他们的全套装备都是一样的，包括尺寸、车轮、摄像头、强大的计算机、移动系统、行驶速度和遥感质量等，同时OPTIMISM也可以自主运行。OPTIMISM主要用于向毅力号传送任何指令前衡量硬件和软件的性能，有助于完成一整套软件测试，这样才能使团队可以在毅力号前往火星的途中和登陆后向其发送补丁。

火星是离地球较近且环境最为相似的星球，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标，无论是毅力号、希望号，还是我国的天问一号，寻找地外生命都是人类不断探索宇宙最根本的出发点。只要探寻之梦永远不倒，人类在未来定会迈出更多瞩目的步伐。