火星探測器的案例
火星探測陸空協同無人系統的研究發展分析
王 濤
（中山大學智能工程學院，廣州510006）
摘 要：無人探測器著陸火星執行復雜探測任務已經成為當前國際深空探測的研究熱點。首先對陸空協同合作的無人系統技術與應用研究現狀進行總結闡述，展望陸空協同無人系統的發展趨勢；隨后闡述了火星地面與大氣環境條件，對應用于火星探索的地面探測車和旋翼無人機系統研究進行了綜合評述，著重探討了火星探索陸空自主協同無人系統的技術發展趨勢。綜述表明，在未來更多執行行星無人探測任務的設計中，發展并強化無人系統陸空智能協同合作能力，有助于提高行星探測任務的執行效率，協同合作提高無人系統的生存保障能力。
關鍵詞：火星探測；作業環境；探測車；無人飛行器；陸空協同；自主行為
1 引 言
早在1962年，從蘇聯開始，人類啟動了首次火星探測任務，向火星發射了火星1 號探測器，然而該探測器在飛行至距地球一億多公里時與地面失去聯系，第一次人類探測火星任務以失敗告終。直到1971年，蘇聯再次發射火星2 號探測器，探測器成功登陸火星表面。隨后，1976年美國發射了海盜1 號和海盜2 號火星探測器，以衛星著陸器的形式降落火星表面。1997年7月4日，美國探路者號火星探測車登陸火星表面，首次執行探測任務。之后美國又陸續發射了勇氣號、機遇號、好奇號和洞察者號火星車，均在火星表面成功著陸。中國于2020年7月23日成功使用長征五號大推力運載火箭把天問1 號火星探測器送往地火轉移軌道，如7 個月后成功登陸火星，必將對我國未來深空行星探測任務產生深遠的影響。另一方面，2020年夏天，美國NASA 再次向火星投放毅力號探測車，同時附加安裝在探測車上還有一架無人機Ingenuity，用于協同地面車輛提前規劃制定行進路線，以及尋找需要探索的區域。
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摘 要：無人探測器著陸火星執行復雜探測任務已經成為當前國際深空探測的研究熱點。首先對陸空協同合作的無人系統技術與應用研究現狀進行總結闡述，展望陸空協同無人系統的發展趨勢；隨后闡述了火星地面與大氣環境條件，對應用于火星探索的地面探測車和旋翼無人機系統研究進行了綜合評述，著重探討了火星探索陸空自主協同無人系統的技術發展趨勢。綜述表明，在未來更多執行行星無人探測任務的設計中，發展并強化無人系統陸空智能協同合作能力，有助于提高行星探測任務的執行效率，協同合作提高無人系統的生存保障能力。
1 引 言
早在1962年，從蘇聯開始，人類啟動了首次火星探測任務，向火星發射了火星1 號探測器，然而該探測器在飛行至距地球一億多公里時與地面失去聯系，第一次人類探測火星任務以失敗告終。直到1971年，蘇聯再次發射火星2 號探測器，探測器成功登陸火星表面。隨后，1976年美國發射了海盜1 號和海盜2 號火星探測器，以衛星著陸器的形式降落火星表面。1997年7月4日，美國探路者號火星探測車登陸火星表面，首次執行探測任務。之后美國又陸續發射了勇氣號、機遇號、好奇號和洞察者號火星車，均在火星表面成功著陸。中國于2020年7月23日成功使用長征五號大推力運載火箭把天問1 號火星探測器送往地火轉移軌道，如7 個月后成功登陸火星，必將對我國未來深空行星探測任務產生深遠的影響。另一方面，2020年夏天，美國NASA 再次向火星投放毅力號探測車，同時附加安裝在探測車上還有一架無人機Ingenuity，用于協同地面車輛提前規劃制定行進路線，以及尋找需要探索的區域。
很多火星探測的研究論著集中探討火星大氣的環境和陸地表面情況［1-3］，包括對著陸火星的氣動特性分析［4-9］，針對火星探測地面車系統［10-16］進行研究，也有學者對火星探測無人機系統［17-19］進行了初步的技術探索研究。
展開 偉大的任務 美國宇航局上周六向火星發射探測器
圖片來自網絡
上周星期六，美國宇航局將向火星發射最新的探測器。一切按計劃進行，InSight著陸器將在美國東部時間上午7:05從加利福尼亞范登堡空軍基地搭載阿特拉斯V火箭上飛往火星。即使不能在加利福尼亞州凌晨觀看發射，也可以通過NASA在線實時觀看高空飛行的情況。美國國家航空航天局電視臺將于美國東部時間上午6點30分播出InSight的直播節目。
圖片來自網絡
InSight火星探測器將在11月份抵達火星，在太空中航行約六個月的時間。 到達后，這輛汽車大小的航天器將登陸火星并開始收集數據。
預計著陸器將尋找關于“地震”數據，每當感受到這些地震時，它就會拍攝一張展示火星的照片，并將它回饋給地球上的科學家，以更多地了解火星的內部運作。
這次發射意義深遠，因為它將標志著火星的任務首次從范登堡執行任務。阿特拉斯V還將攜帶兩個小型衛星，這些小型衛星統稱為Mars
Cube
One，預計將在火星的軌道上作為技術演示，幫助科學家弄清楚這些衛星是否可以用作地球軌道以外的通信衛星。這次發射將標志著美國宇航局首次向另一個世界發送多維數據集。
展開 瑞士公司合作開發碳纖維復合材料火星探測車底盤
瑞士最大的航空航天產品獨立供應商RUAG Space公司與瑞士工程公司Scheurer Swiss GmbH合作開發ExoMars火星探測漫游車的零件。
該火星探測漫游車的碳纖維復合材料底盤由歐洲航天局（ESA）在RUAG Space和空中客車防務及航天公司（Airbus Defence and Space）的指導下開發。Schentir Swiss GmbH公司首席執行官Dominik Scheurer表示，該司將參與探測漫游車底盤的開發，并負責為層壓工藝選擇激光系統。
這臺以英國女化學家Rosalind Franklin的名字命名的火星探測漫游車預計將于2020年向火星發射，車底盤的懸架已完成，目前正在蘇黎世的RUAG太空測試中心進行測試。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/47787.html
此外，在意大利都靈還建造了一個全新的ExoMars漫游車探測器控制中心（ROCC）。一旦漫游車登錄火星表面，控制中心將成為探測器活動和測試的操作中心。
“這座控制中心極為重要，我們能通過它聽到漫游車的儀表，看看她看到了什么，并發出命令指導尋找火星地表和地下的生命證據，”歐空局局長JanW?rner說。 “ExoMars火星漫游車將是第一個可以在火星表面穿梭，同時能夠從地下2米處采集樣本進行深度研究的火星探測器。”
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展開 
NASA準備發射火星登陸器，6個月太空巡航之旅充滿危機
“熱探測器”將測量火星的內部溫度。在洞察號上，兩個無線電天線將跟蹤火星圍繞太陽旋轉時的內部變化。
洞察號還配有攝像機，準備在遠離地球的地方抓拍洞察號的小工作區。科學家們希望洞察號任務能夠幫助他們更多地了解太陽系中包括地球在內的巖石行星的形成過程。當然，洞察號必須在旅途中幸存下來，然后在任何事情發生之前堅持到成功著陸。向火星發射探測器要比在火星表面輕輕著陸容易得多。
目前，世界上只有美國成功地在火星上部署了探測器(盡管有許多失敗)。上世紀70年代，由蘇聯發射的幾個登陸器都在降落過程或著陸幾分鐘后失敗了。2016年，歐洲人最后一次嘗試將著陸器發射到火星上。這個名為“斯夏帕雷利號”(Schiaparelli)的航天器以19世紀的一位天文學家命名，但最終也墜毀了。在火星軌道器隨后拍攝的照片中，斯夏帕雷利號似乎成了紅色地面上散落的灰色碎片。
當洞察號著陸時間到來的時候，馬特·戈隆貝克(Matt
Golombek）將會加入進來。戈隆貝克是美國宇航局下屬噴氣推進實驗室的“著陸點專家”，他花了20年時間挑選和評估火星任務的潛在著陸地點，包括第一個成功著陸的火星探測器Sojourner，它在1997年到達火星表面。
戈隆貝克表示，每次火星任務的著陸點總需要是個“平滑、平坦、無趣的地方”。多巖石的地形、陡峭的露頭以及傾斜的區域都可能對探測器造成破壞或傾覆。由于洞察號沒有其他探測器那樣的能力，該團隊幾乎沒有犯錯的余地。著陸程序是自動完成的，所以在洞察號降落過程中，他們可能沒有太多事情可做。
戈隆貝克稱：“這有點兒像發射時的場景：你只能坐在那里等待，火箭已經預先設定好了，你所能做的就是祈禱它能發揮作用。”當被問及：在這個漫長的等待中，他是否會變得不耐煩時，戈隆貝克說:“不，我想我已經參加過足夠多的發射，我知道這無關緊要，你只能等待。
展開 美國燒了8.3億美元，就為了去火星“玩泥沙”？
洞察號著陸器于2018年5月5日發射升空，經過205天的旅行，在外太空零下269℃下，航行了3.01億英里，于北京時間11月27日凌晨3時54分著陸火星。
▲洞察號著陸火星精華版。
洞察號火星著陸器由洛克希德馬丁公司建造，是NASA發現計劃（Discovery Program）的一部分，該任務由NASA噴氣動力實驗室（JPL）負責管理。這是時隔六年多，NASA的探測器再次著陸火星，上一次是北京時間2012年的8月6日，好奇號著陸火星。
▲NASA任務控制現場
你是否知道，這一耗資8.3億美元的探測器，花了六個月時間飛行，克服1500度的高溫、火星大氣層中的狂風，居然是去火星“玩泥沙”？
▲上圖展示了洞察號配備的火星土壤層鉆探設備
這是因為，美國宇航局的洞察號火星探測器，它的任務就是去考察火星地表下方土層內部的情況！
洞察號會像小朋友“玩泥沙”一樣，在火星土壤里挖開一個洞，看看里面究竟有什么。也許它會發現生命的跡象，也許它會找到獨特的礦物，也許它會探測到火星地震等信息，讓我們拭目以待。
為了實現“玩泥沙”，洞察號要克服無數的困難，特別是降落到火星表面的14分鐘，一連串的嚴峻挑戰，任何一個都能徹底摧毀洞察號！
▲洞察號著陸器經受高溫灼燒考驗
這一耗資8.3億美元的火星探測器，因為飛行到了遙遠的火星，傳回無線電信號也要好幾分鐘，因此實際上無數科學家們只能在它開始降落前準備好一切，此后的操作只能聽天由命，指望洞察號的自動降落功能克服所有難題。一個錯漏，洞察號火星探測器就會毀于一旦。這并不是少見的事情，歐洲聯盟以及蘇聯時代的火星探測器都多次出錯，甚至直接砸碎在火星表面上。有三分之一的火星探測器，在著陸時損毀，不過美國探測器的成功率要明顯好一些。
展開 NASA火星無人機將于4月8日試飛，還隱藏一個彩蛋！天問一號卻等100天，我們差在哪？
同樣發射于2020年7月的美國毅力號火星車，根本沒有在火星軌道過多停留，直接在2021年2月19日采用"空中起重機"的方式著陸到了火星，并于3月4日進行了火星行駛，還馬上要在火星放飛攜帶的無人機。
我國發射的天問一號探測器預計將于5月著陸火星，一次性完成"繞落巡"。但作為一艘2020年7月23號就發射的探測器，2021年2月4日就穩定在火星軌道的天問一號，為什么要等3個月整整100多天，才能在火星著陸呢？
2021年3月26日，國家航天局發布了兩張由天問一號拍攝的火星側身影像，當時它已在火星停泊軌道運行了一個月，正在用自身攜帶的科學儀器對火星開展探測并收集數據。
同為火星探測器，相似的發射時間和相似的抵達火星時間，是什么原因讓天問一號在火星軌道徘徊3個月呢？
答案是地圖
想要讓探測器降落到另一個星球上，不論是月球還是火星，首先要做的就是對目標星球進行高精度環繞測繪，對預定著陸區進行排查和選擇。正是因為嫦娥一號和二號做了這些工作，才有了后來嫦娥三號和五號的成功著陸。
所以天問一號繞火星三個月其實就是在繪制火星地圖，對火星地表進行高度測繪，重點調查火星烏托邦平原上的兩個預定著陸點，如果火星上存在生命或者曾經存在過生命的話，這兩個位于火星古河道內的著陸點，就是最有可能發現蛛絲馬跡的地方。
掌握足夠詳細的火星三維地形數據后，天問一號便會著陸火星。
參考之前美國的洞察號火星著陸，我國的天問一號應該會隨著軌道高度降低，以一種相對溫和的方式進入火星大氣層并減速，最后憑借降落傘和反推火箭安全著陸到火星上，然后火星車開始巡視火星，軌道器繞火星公轉并中轉數據，進行一系列科研任務。
展開 太空探索，3D打印必不可少
本文我們繼續整理一些3D打印技術在太空探索中的案例，尤其在火星探測和月球探測方面，不足之處歡迎補充。
火星探測
中國“天問一號”和“長征五號”均使用了3D打印技術
2021年5月15日，我國火星探測任務“天問一號”探測器的著陸巡視器成功在火星烏托邦平原南部預選著陸區著陸，中國航天器首次奔赴火星，完成了人類航天史上的一次壯舉。
△供圖：中國航天科技集團五院
“天問一號”探測器由中國航天科技集團五院抓總研制。五院總體設計部作為火星探測器的抓總單位和結構機構分系統研制單位
，
采用金屬3D 打印技術和跨尺度結構優化設計方法
，
聯合北京衛星制造廠
、
北京理工大學
、
大連理工大學
、
西北工業大學
、
南京航空航天大學
、
西安鉑力特增材技術股份有限公司
、
沈陽精合數控科技開發有限公司等國內優勢團隊
，
圍繞面向3D打印結構設計
、
3D打印專用材料研發
、
3D打印專用裝備研制及制造工藝開展聯合攻關。
在 “天問一號”的研制過程中鑫精合作為增材制造解決方案提供商，采用激光選區熔化成形技術（SLM）制造交付產品 30 余項，激光沉積技術（LDM）制造交付產品 9 項。在減重、特殊功能實現等多個維度解決火星登陸項目研制工藝技術難題，火星探測器的著陸成功，標志著增材制造技術在航天深空探測領域應用邁出開拓性的重要一步。
展開 27億美元的美國火星車成功登陸火星！還帶了一架1%大氣密度也能飛的無人機（機械工程學報）
歷經近 7 個月、約 5 億公里的漫長旅行之后，NASA“毅力號”火星車終于抵達了它的目的地：火星。
北京時間7月30日下午19:50，毅力號火星探測器從美國佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地41號發射場發射：
如今，“毅力號”火星車在被送上軌道的近 7 個月后，終于成功在火星著陸。
據資料顯示，“毅力號”是有史以來最大、最為復雜的火星探測系統，這臺次世代火星車造價高達 27 億美元，總重 1025 千克。它是自阿聯酋希望號、中國天問一號之后，人類在這個「火星季」發射的第三個探測器。
展開 NASA好奇號火星探測車拍攝18億像素的火星全景圖
NASA好奇號火星探測車拍攝18億像素的火星全景圖
NASA好奇號火星探測車的主要任務是研究火星的氣候和地質情況。我們m+p VibControl振動控制試驗系統為此任務的成功完成做出了相應的貢獻：ChemCam儀器 (化學脈沖激光束氣化材質檢測儀和可伸縮相機) 的鑒定試驗由在法國圖盧茲的Mecano ID公司完成。在該測試中，他們在100,000等級的無塵潔凈室內使用48到80通道的m+p振動控制系統Vibcon2.15和一臺70kN振動臺進行了全面的振動可靠性試驗。此外，位于西班牙馬德里的空客集團使用96通道的m+p VibControl振動控制系統和一臺90kN振動臺對好奇號火星探測車的高增益通信天線進行了全面的鑒定試驗和驗收試驗。
最近，NASA發布了好奇號火星探測車拍攝的尺寸最大、分辨率最高的火星全景圖，它向我們展現了一個超級真實的火星。將2019年感恩節期間拍攝的1000多張圖像在隨后的幾個月中精心組合，最終合成了這張18億像素的火星全景圖。
這些照片是在2019年11月24日至2019年12月01日之間拍攝的，當時任務團隊正外出過感恩節。在等待團隊返回并發出下一個指令的時候，火星探測車幾乎沒有什么任務要做，這讓它有了一個難得的機會，可以連續幾天從同一有利位置拍攝它周圍的環境。
“當我們團隊當中的許多人在家中享受火雞大餐時，好奇號為我們帶來了這場視覺盛宴。” 負責好奇號火星探測車任務的NASA JPL實驗室好奇號探測車項目科學家Ashwin Vasavada表示，“這是我們第一次在執行任務期間將操作專注于360°立體全景拍攝。”
展開 NASA洞察號火星探測器傳回最終自拍，一代傳奇即將落下帷幕
2022年4月24日，洞察號任務的1211個火星日，它的“最后一張自拍”展示了太陽能著陸器被塵埃所覆蓋
洞察號著陸器在其最新的自拍中完全被一層厚厚的火星塵埃所覆蓋，NASA表示這可能是該任務的最后一次自拍。根據NASA公布的信息，洞察號太陽能電池板的發電功率已降至任務之初的十分之一，每個火星日發電不足0.5kW·h，這些能量甚至不夠普通微波爐工作一小時。
前后對比圖像顯示洞察號在2018年著陸時（左）和 2022年4月的外貌，其太陽能電池陣列上的灰塵已將其功率水平降低至任務開始時的十分之一
監測火星地震的洞察號于2018年登陸火星表面，以更好地了解火星內部結構。由于洞察號沒有清除灰塵的輔助系統，只能依靠強風來清潔著陸器。完成最后的自拍后，著陸器將把它的手臂擺成“退休姿勢”——一個V形。
據悉，洞察號的地震追蹤裝置預計將在今年夏末關閉，如果足夠幸運被一陣強風吹走一些灰塵，它將工作更長時間。
展開 
NASA好奇號火星探測車：在火星上停留的3000個日日夜夜
火星偵察軌道飛行器從266 km的高空俯視好奇號
火星偵察軌道飛行器上的HiRISE相機拍攝的好奇號，每個像素約25厘米，因此我們可以在視場中央很容易發現探測車。
好奇號的最新自拍照
在火星上工作8年以來，好奇號依然硬朗，它在等待毅力號，在未來它們將共同探測火星，為我們帶來更多的新發現。
NASA周邊商品，點擊↓ ↓ ↓閱讀原文可見
NASA“洞察號”成功著陸火星，仿真帶你了解探測器中的通訊天線
北京時間 2018 年 11 月 27 日凌晨，美國國家航空航天局（NASA）發射的無人探測器“洞察號”（InSight）成功抵達火星登陸點，并順利傳回首張照片，開始了歷史上首次探索火星內部的任務。
美國宇航局發起的這項“使用地震勘測、大地測量學和熱傳輸（InSight）進行內部探索”的任務，旨在研究火星的內部結構，包括地殼、地幔和核心。火星著陸器將負責收集溫度和熱流等表面數據，幫助科學家更深入地了解火星巖石的形成過程。這個項目大膽地將螺旋天線應用到了一個它從未涉足的地方：火星。在各種負責測量與傳輸信息的儀器中，著陸器配備有 UHF 螺旋天線，用于與軌道中繼航天器進行通信。
InSight Mars 著陸器的繪畫。圖片來自 NASA/JPL-Caltech。圖片版權屬于美國公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
許多部署在基礎通信系統中的天線都是線極化，這意味著就電場方向而言，極化被限制在了單個平面上。圓極化螺旋天線的電場方向可以發生旋轉，因為波的極化會在傳播過程中發生變化，例如螺旋天線能夠在軸向工作模式中產生圓極化波。RF 仿真可用于優化螺旋天線設計。
螺旋式增長：越來越多的螺旋天線應用
螺旋天線以其螺旋幾何形狀命名，它由一根或多根纏繞成螺旋狀的導線構成。因其特殊形狀，螺旋天線能夠發射圓極化場。螺旋天線設計簡單，但功能強大，應用豐富，例如智能植入裝置及其他 RFID 設備使用了極小型天線。
大型螺旋天線常用于無線電、GPS 和彈道導彈系統，以及與繞地球和月球軌道運行的衛星與太空探測器之間的外太空通信。
衛星通信系統中的螺旋天線。圖片版權屬于美國公有領域，通過 Wikimedia Commons 分享。
為了優化上述應用中的螺旋天線設計，我們需要了解它們的工作模式。RF 仿真能夠勝任這一任務。
展開 的F工作日火星探測教育UK
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展開 的FWe這個人火星探測要拿
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