NASA毅力號火星探測器相機系統

毅力號火星探測器配備了新一代工程相機成像系統，這是對以往火星探測器任務的升級。這些升級將提高毅力號的可操作能力，重點是驅動規劃、機械臂操作、儀器操作、樣本快取活動以及進入、下降和著陸EDL期間關鍵事件記錄功能的升級，這些我會慢慢在本文說明。首先我將為大家介紹23個相機組成的成像系統，這23個相機分為兩個部分，分別是工程成像系統和科學相機系統，工程相機系統共有16臺攝像機，其中9臺用於地面作業，7臺用於EDL記錄檔案，為地面作業設計的攝像機有3種，兩個導航攝像機、六個危險避障攝像機和一個快取記憶體攝像機，我再重複一下，這是9臺用於地面作業的相機。

導航攝像機可以以96∘73∘96∘73∘136∘102∘136∘102∘的解析度以0.46 mrad/畫素獲取表面的彩色立體影象。Cachecam是一種新型相機，它將在快取記憶體操作期間以12.5微米/畫素的空間尺度獲取樣本管內火星物質的影象。著陸EDL攝像機有5種類型：三個降落傘上傳攝像機、一個下降階段俯視攝像機DDC、一個上傳攝像機RUC、一個漫遊者下降攝像機RDC和一個著陸器視覺系統LVS攝像機LCAM。DDC連線到下降階段並指向下方，它將透過捕捉火星車下降時的影片來描述車輛動力學，這是為下一次著陸做準備。安裝在漫遊者上並向上看的RUC將從漫遊者的有利位置捕獲高畫質影片，還將獲取下降階段飛行事件的影片。RDC連線在火星車上向下看，它將透過在火星車著陸之前、期間和之後對火星表面成像來記錄羽流動力學。LCAM安裝在火星車底盤底部，指向下方。這是著陸用相機，一共有9個。我這裡說的一共有18臺相機，是因為有一些相機單算了，其實它是一個模組，兩個或者三個算一個模組，也就是一個相機，不過大家可以認定是23個相機，具體他們是怎麼分相機模組的我沒記清楚。

美國國家航空航天局NASA對毅力號的升級主要在三個關鍵領域，第一個領域是火星車地面操作，包括駕駛、機械臂操作和科學儀器操作等活動。第二個領域包括火星車自適應快取元件ACA內樣本處理和處理操作。第三個領域包括進入、下降和著陸EDL系統的效能和操作檔案。總體而言，新一代成像系統提高了毅力號任務的能力，所以這就是我重點介紹毅力號相機系統的原因，接下來我將為大家介紹毅力號科學相機的硬體及其他科學儀器。

除了剛才說到的16個工程攝像頭外，火星車上還有7個攝像頭專門用於特定的科學研究，首先是兩個Mastcam-Z相機，它可以使用變焦鏡頭獲取具有匹配可變焦距的彩色3D立體影象。第二個需要介紹的是超級攝像頭，它使用了最新一代遠端顯微成像儀RMI，它可以獲取光譜儀器觀測的背景影象。第三個是PIXL，也叫作X射線岩石化學行星儀，該儀器可以使用微型背景攝像機MCC獲取背景影象和投影鐳射基準標記的影象。第四個需要介紹的SHERLOC，也叫作有機物和化學品拉曼掃描攝像頭，哦對了，有兩個SHERLOC攝像頭，SHERLOC和WATSON可以一起使用拍攝可操作和工程的廣角地形照片。它有點特殊，美國宇航局工程師將這三個攝像機歸類為一個，這其實就是科學相機的模組劃分，和工程相機是一個道理。

第五個是MEDA SkyCam攝像機，它可以拍攝獲取火星天空的影象，作為大氣科學儀器系統的一部分。第六個和第七個攝像機Navcam和Hazcam可以為這些科學攝像機提供目標定位支援和背景成像。也就是說毅力號共有23個攝像頭（16個工程攝像頭和7個科學攝像頭）。這張配圖列出了攝像頭和位置。

接下來我們進行第二個階段，毅力號的7個科學相機，我將為大家一個一個分段介紹。

MastCam-Z是一對可以拍攝彩色影象和影片、三維立體影象的相機，上面也說過了，並且具有強大的變焦鏡頭。與好奇號火星車上的Mastcam攝像頭一樣，毅力號上的Mastcam-Z由兩個安裝在桅杆上的雙攝像頭系統組成，桅杆可以從火星車甲板上豎立起來。這兩個相機彼此相鄰，指向同一個方向，提供了一個類似於人眼所能看到的3D檢視，效果比人眼要好得多，它們拍攝的照片還具有縮放功能，可以看到遠處目標的細節。

超級攝像頭SuperCam可以向探測器機械臂無法觸及的岩石目標發射鐳射，然後分析蒸發的岩石等離子氣體以揭示其元素組成。SuperCam在7米以外可以以小於1毫米的精度發射鐳射脈衝，它的照相機和光譜儀將在瞬間檢查岩石的化學性質。剛才我說過了，當鐳射擊中岩石時，會產生等離子體，這是一種由自由漂浮的離子和電子組成的極熱氣體。機載光譜儀記錄了等離子體的光譜，揭示了材料的成分。哦對了，無論是發射分析鐳射，還是拍照分析光譜和物質都是瞬間的，精度極高。這讓我想到了鐳射武器，定點打擊。

SuperCam

PIXL相機可以使用X射線熒光來識別像一粒食鹽一樣小的目標點中的化學元素，它有一個微型背景攝像機，這是配套的，它們兩個可以提供目標區域的影象，包括背景影象，並將其元素組成圖與目標區域的可見特徵相關聯。

SHERLOC相機的主要工具是光譜儀和鐳射，但它也可以使用一個微距相機來拍攝研究區域的極端特寫鏡頭。科學家可以看到岩石的紋理，這對於研究火星岩石形成的環境有很大幫助，甚至是決定性因素之一。

WATSON

WATSON相機是毅力號機械臂末端的的工具之一，它幾乎和好奇號火星車上機械臂末端的相機一模一樣，只不過WATSON可以捕捉更大的背景影象，以獲取收集的有關火星礦物目標的非常詳細的資訊，WATSON提供了火星岩石和岩石碎片還有塵埃表層的精細結構檢視。由於WATSON可以在機械臂上四處移動，它還可供其他臂裝儀器使用。例如，可以將其指向製氧實驗MOXIE，以幫助監測MOXIE吸入火星空氣以提取氧氣的入口周圍收集了多少灰塵。

NASA毅力號火星探測器整體結構

接下來的內容我將為大家介紹毅力號其他科學儀器，相機及其相機模組的部分就到這裡了。

放眼整個毅力號火星探測器，一共有以下七個結構，分別是：

車身：保護探測器內部科學儀器的結構大腦：處理資訊的計算機溫度控制系統：內部加熱器、絕緣層，線纜等頸部和頭部：一個桅杆攝像頭，為毅力號提供人的視角眼睛和耳朵：為探測器提供環境資訊的攝像機和儀器，剛才說的工程相機和科學相機就屬於這個部分手臂和手：一種延伸其範圍並收集岩石樣本以供研究的方法車輪和腿：機動性部件電源：核動力電源通訊系統：用於說話和聽的天線，也就是用於上傳資料和下載資料的天線

好奇號和毅力號火星探測器的對比

好奇號與毅力號一個重要的區別是，毅力號可以採集和儲存礦物。為了做到這一點，火星車有一個新的取芯鑽來採集樣本，然後將這些樣本密封在試管中，放在火星表面。未來，另一項太空任務可能會提取這些樣本，並將它們帶到地球進行詳細分析。除此之外，毅力號有一個更大的機械臂，火星2020的新功能和新的科學工具意味著它必須在機械手臂末端容納一個更大的科學儀器。機械手臂有取芯鑽和兩個科學儀器，加上一個用於近距離表面檢查的彩色攝像機，還有用於工程健康檢查的自拍工程攝像機。另外，毅力號用的核動力能源與好奇號的不同，控制器電子元件，電機等等已經進行了全面升級，至於哪些地方做了升級，如題題目寫了，關於核動力能源和毅力號的核心處理原件我只說這一個升級。

毅力號火星探測器樣品回收容器

毅力號與好奇號的執行方式也截然不同，毅力號將收集20個密封的火星岩石和土壤樣本，這些樣本將被放在火星上的儲藏室裡。除了管理新的取樣系統，毅力號火星探測器還可以更有效地管理其所有日常活動，以平衡其現場科學測量，同時還可以收集樣本以備將來可能的分析。為了做到這一點，火星車的驅動軟體，也就是毅力號的系統也被升級，使毅力號比好奇號擁有更大的獨立性，更多的功能已經與人工智慧結合。

此外，相比於好奇號，美國宇航局工程師們還在飛行軟體中添加了一個人工智慧規劃器系統。這樣可以更有效和自主地使用電力和毅力號漫遊者的其他資源，這個系統允許漫遊者改變一些活動的時間，以利用日常運營計劃時間中的空缺。

當然了，美國宇航局在毅力號著陸之後釋出的第三張照片中，大家看到了毅力號的新車輪，沒錯，這也是相比於好奇號和過去所有火星車升級的一個地方。美國宇航局工程師們重新設計了毅力號火星探測器的車輪，使之更加堅固，因為好奇號火星車的輪子在尖銳的岩石上行駛時會磨損，磨損的程度大家也看到了。毅力號的車輪比好奇號的窄，但直徑更大，由更厚的鋁製成。

更大的儀器套件、新的取樣和快取系統以及改進的車輪等等使得毅力號比好奇號更重。

NASA毅力號火星探測器的中央處理系統

接下來我們來聊一個重要的問題，毅力號火星探測器的“大腦”，剛才說到的更好的規劃時間，更多的自主性，主要升級就是毅力號火星探測器的人工智慧與計算機大腦的升級，也就是毅力號中央處理系統的問題。這個模組也被稱為漫遊者計算元件RCE，毅力號有兩個完全相同的RCE，而RXEs是備用的。RCE可以透過兩個網路與火星車的工程功能連線，這兩個網路遵循航空航天工業標準，該標準專門針對飛機和航天器的高可靠性要求而設計。此外，RCEs還有一個特殊用途，即直接與所有的科學儀器進行介面，以交換命令和科學資料。毅力號火星探測器的中央處理系統經過輻射硬化處理，毅力號的中央處理系統是勇氣號和機遇號火星探測器計算機執行速度的10倍。

NASA毅力號火星探測器天線NASA毅力號火星探測器的天線系統

毅力號有三個天線，也就是我文章開頭說到的“耳朵”，它們位於毅力號的背面。擁有多個天線可提供操作靈活性和許多備份選項，以備不時之需，這些天線分為三個模組，分別是UHF超高頻天線，X波段高增益天線和X波段低增益天線。

一般來說毅力號會透過使用其超高頻UHF天線（約400兆赫）與NASA環繞火星的軌道飛行器進行通訊。由於毅力號和美國宇航局火星軌道器的距離很近，與低增益和高增益天線提供的與地球的遠端通訊相比，它們的作用就有點像對講機。

根據行星的位置，一個無線電訊號在火星和地球之間傳播一般需要5到20分鐘，火星的話是11分鐘，所以使用軌道器傳遞資訊是有益的，因為它們比地球上的深空網路DSN天線更接近火星探測器。質量和功率受限的毅力號可以在相對較短的距離中繼鏈路上實現高達2 Mbit/s的資料傳輸速率。然後，軌道飛行器使用更大的天線和發射器，將遠距離鏈路上的資料傳回地球。

毅力號火星探測器X波段高增益天線是可操縱的，因此它可以將無線電波指向特定的方向。擁有可操縱天線的好處是，整個火星車不需要改變位置就可以與地球通話。就像你只需要轉動脖子甚至不需要轉動脖子就可以與身邊的人交談而不是轉動整個身體一樣，它的高增益硬體使它能夠聚焦訊號，在回地球的長鏈路上實現更高的資料傳輸速率。

馬德里的無線電天線站在2021年2月18日支援了毅力號的著陸操作，在下降和著陸期間，馬德里無線電天線站率先從火星中繼網路接收了遙測訊號

X波段低增益天線是接收訊號的主要儀器，這個天線可以在每個方向上傳送和接收資訊，也就是說它是全向的，天線可以以低資料速率傳輸到地球上的深空網路天線。

NASA毅力號火星探測器的動力系統

火星2020搭載了放射性同位素動力系統。這個電力系統利用鈽放射性衰變的熱量作為燃料，產生可靠的電力能源，毅力號火星探測器的電源被稱為MMRTG，也被稱為多工放射性同位素熱電發生器。MMRTG將鈽自然放射性衰變產生的熱量轉化為電能。這個電源系統為火星車的兩個主電池充電，來自MMRTG的熱量也可以用來保持毅力號的科學儀器和各項系統處於正確的工作溫度。

美國能源部在美國宇航局的支援下，開發了許多代這樣的空間核動力系統，可用於為各種空間探索任務提供電力和熱量。目前放射性同位素動力系統被稱為多工放射性同位素熱電發電機MMRTG，其設計具有在火星等有大氣層的行星體上以及在太空真空中執行的靈活性。MMRTG在發射時產生大約110瓦的電力，這種電力增量可以滿足各種潛在的任務需求。與以前的RPS一樣，確保高度安全也是一個基本考慮因素。

MMRTG放電時約110瓦，每年耐久度會下降百分之幾，不超過3%，非常耐用。至於其他兩塊電池，當需求暫時超過MMRTG的穩定電力輸出水平時，兩個鋰離子充電電池可滿足毅力號活動的峰值需求。

毅力號的MMRTG與好奇號MMRTG電力系統是一樣的，幾十年來，美國宇航局一直可靠地使用類似的電力系統，包括阿波羅登月任務、維京人火星任務，以及飛往外行星和冥王星的航天器，包括先鋒號、旅行者號、尤利西斯號、伽利略號、卡西尼號和新地平線號任務。

我看到了小型核裂變反應堆民用的未來，大家一定會想MMRTG是否足夠安全，MMRTG由幾層堅固的保護材料製成，可在各種潛在的發射事故中容納燃料，這些保護層已經通過沖擊試驗進行驗證。熱源鈽以陶瓷形式製造，這有助於避免對健康造成重大危害，除非鈽被分解成非常細的碎片或蒸發，或者被吸入或直接吃掉它。換句話說毅力號火星探測器即使發生事故，也就是即使MMRTG在地球上爆炸，周圍的人也只會受到15-60毫雷姆的輻射，相比之下，人類平均每年從氡和宇宙射線等自然來源接收310毫雷姆的輻射。

MMRTG有什麼優點呢？首先就是耐用，不受太陽能能源的限制，比如火星全球風暴，火星塵埃的積累會導致太陽能電池功率下降超過30%以上，另外MMRTG在較大的緯度和高度範圍內具有更大的機動性，它使科學家能夠最大限度地發揮火星車科學儀器的能力。