新一代火星探測器長了23隻「眼睛」

● 人類自上世紀60年代起，開始了對火星的探索，至今已有超過40枚探測器到達火星。

● 2015年10月28日，美國宇航局(NASA)宣布，火星勘測軌道飛行器(MRO)提供的強有力數據表明：火星表面存在著液態水活動的跡象。

● 「Mars2020」是NASA未來火星探測計劃的一部分，旨在為尋找火星過去的生命跡象收集岩石和土壤樣本，由此研究火星表面的地質過程和歷史，包括對火星過去的可居住性、生命存在跡象及火星地層中的生物特徵，進行可能性評估。

● 「Mars2020」火星車延續了「好奇號」火星車的裝備，但約60%進行了升級，並將搭載一些不同的科學研究載荷。

● 「Mars2020」的登陸器和火星車上共有23個攝像裝置，其中科學相機7台、工程相機9台、記錄拍攝探測器接近火星並下降、著陸情況的相機7台。作為火星車「主眼」的全景攝像頭，具備了變焦功能。

火星車的「眼睛」20年里增加了4倍

1997年，美國宇航局(NASA)的火星探測器「探路者號」在火星登陸時，一共帶了五個攝像頭，其中兩個安裝在著陸器的一根伸出的桅杆上，另外三個安裝在NASA的第一個巡視器「索傑納號」火星車上。

從那時到現在，相機技術有了巨大突破。由當年太空計劃提升改進的圖像感測器，現在已經普遍商業化———攝像頭的體積越來越小，拍攝質量卻越來越高，現在每一部手機和筆記本電腦上都普遍配備了這樣的攝像頭。

這些技術進步也反哺到了太空任務中。美國宇航局的「Mars2020」任務，將擁有比以往任何巡視器更多的「眼睛」：總數多達23個，它們分別可以用來創建全景照片、發現前進途中的障礙物、研究火星大氣，還能協助科學儀器開展工作。這些「眼睛」將在火星車向火星降落的過程中，提供激動人心的全方位視角，並在第一時間捕捉到降落傘在另一顆行星上緩緩張開的盛況。甚至在火星車的內部，也有一個攝像頭，用於在未來的火星任務中拍攝火星樣本的收集和研究過程。

「Mars2020」火星探測器在建造時，美國宇航局的噴氣推進實驗室(JPL)將這些相機都設計了進去。它們體現了自「探路者號」以來相機技術的穩步進展，繼「探路者號」任務之後，「勇氣號」和「機遇號」火星車都各自帶有10個攝像頭；而包括安裝在登陸器上的攝像頭在內，「好奇號」火星車上的攝像頭達到了17個。

「隨著相機技術的不斷發展，每一次火星探測任務都充分吸收了最新技術，以提高性能、降低成本。」成像技術專家、「Mars2020」全景攝像頭Mastcam-Z的主要研究者、JPL的賈斯廷·真希說。

相機技術上的這種優勢的建立代表了一個完整的技術發展周期——從NASA到商業領域，然後再反饋到NASA。在上世紀80年代，JPL開發的有源像素感測器，比以前的數碼相機技術所需要的功率更小。這些感測器後來由photobit公司實現了商業化(photobit公司是由前JPL研究員埃里克·弗休姆創立的，弗休姆如今在美國新罕布希爾州的達特茅斯學院工作)。

獲取更多高質量的圖片資料

與「好奇號」上的相機設備相比，「Mars2020」火星探測器的「主眼」———全景攝像頭Mastcam-Z，將能獲得更生動豐富的色彩和三維影像。負責這一研究的亞利桑那州立大學的吉姆·貝爾介紹說：「我們在『好奇號』高解析度Mastcam (桅杆式相機)　改進版的基礎上，又加入了Z(變焦)的功能。」

Mastcam-Z的立體攝像頭可以支持建立更多的三維圖像，這對於勘探較遠距離的地質特徵及尋找潛在樣品非常理想，它可以查看差不多一個足球場大小範圍內的地面特徵，如土地侵蝕和土壤結構情況等。拍攝記錄下這些細節是很重要的，因為那可以揭示許多地質線索，科學家可將這些細節作為「野外記錄」，與收集到的樣本一起相互參照，進行研究。

「高解析度三維圖像用途很廣，對於遠程或近域的科學目標都很有用。」貝爾說。「勇氣號」「機遇號」和「好奇號」火星車都設計了帶有用於導航和規避危險的工程相機，這些相機的攝像頭都能產生百萬像素的黑白圖像。

新一代火星車上的工程攝像頭已經升級，可獲得2000萬像素的高解析度彩色圖像。另外，這些相機的鏡頭視角也更廣闊，這對於「Mars2020」火星車的任務至關重要，可以為科研和樣本收集爭取更多的時間。

「之前我們要將工程相機拍攝的多張圖片拼接在一起，但有了更寬視域的相機之後，只要一次拍攝就能取得與此前多圖拼接的同樣效果。」JPL新工程攝像技術開發部門的經理科林·麥金尼說。

這意味著火星車將節省下在圖片的取景、拍攝和拼接上所花的時間，另外還能夠減少因運動導致的圖像模糊，在移動過程中也可以正常拍攝。

在火星與地球之間傳送更多的數據

所有這些技術升級都面臨著一個挑戰：如何在太空中傳送更多的數據。「對大多數圖像系統來說，通信信號傳輸是一個瓶頸，相機能夠獲得的數據比傳送回地球的數據要多得多。」真希說。

為解決這個問題，火星車上的相機現在變得越來越「聰明」——尤其是在數據壓縮方面。

在「勇氣號」和「機遇號」上，數據壓縮是用機載計算機完成的，而在「好奇號」上，大部分是用相機的內置電子器件來完成的，它們可處理更多色彩豐富的、包含3D信息的圖像以及高速視頻。

NASA還通過利用軌道航天器作為數據中繼站，將更多數據傳回地球。使用數據中繼站的想法最早是在美國宇航局的火星奧德賽軌道飛行器上進行實驗的，在「奮進號」和「機遇號」任務中都採用了這個方法。

「我們之前預計每個火星日里能夠向地球傳送幾十兆的數據，但在奧德賽軌道飛行器飛越火星上空時，每個火星日可獲得大約100兆的數據。太空數據傳輸技術已進入了一個全新的階段。」貝爾說。

NASA計劃利用火星軌道上現有的航天器——火星勘測軌道飛行器(MRO)、火星大氣與揮發物演化項目探測器(Maven)以及歐洲航天局的火星微量氣體探測器(TGO)——作為「Mars2020」任務的數據傳輸中繼站，將在任務的頭兩年里，為火星車上相機系統的工作提供支持。

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