憑借著迄今為止最先進的火星地圖，美國國家航空航天局（NASA）的 “毅力號”（Perseverance）火星漫游車在著陸過程中將有能力識別并避免危險，對這顆紅色星球展開探索。

毅力號是 NASA 耗資 27 億美元的 “火星 2020”任務的核心部分，定于 7 月 30 日從佛羅里達州卡納維拉爾角的空軍基地發(fā)射升空。如果一切按計劃進行，這臺和小汽車差不多大的火星車將于 2021 年 2 月 18 日降落在火星的杰澤羅隕石坑（Jezero Crater）內。

杰澤羅隕石坑寬約 45 公里，在古代曾存在過一個湖泊和一個三角洲，這使它成為毅力號尋找生命、采集樣本的理想目的地。這個隕石坑的地形崎嶇不平，尤其是在三角洲區(qū)域。因此，盡管任務研究人員對該區(qū)域非常感興趣，但對工程師來說這又是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。他們首要的任務就是讓這個 6 輪機器人安全降落。

“火星 2020”任務采用了多項新技術來迎接這一挑戰(zhàn)，其中最重要的一項技術是 “地形相對導航”（Terrain-Relative Navigation，簡稱 TRN），這將使任務在 “空中吊車”下降階段能評估杰澤羅隕石坑在著陸過程中的地形風險，并在必要時自動改變航向。

▲美國地質調查局（USGS）天體地質科學中心利用 NASA 火星勘測軌道飛行器上的 “高分辨率成像科學設備”（HiRISE）捕捉到的圖像，生成了一幅火星杰澤羅隕石坑的數(shù)字地形模型圖像。這里展示的是拼接圖像的一部分，該圖像將作為基礎地圖，用來顯示火星地表的危險之處。在 NASA 的 “毅力號”火星車上，該地圖將被用于 “地形相對導航”系統(tǒng)，以幫助確定最終在杰澤羅隕石坑中安全著陸的位置。

這項新技術就用到了開創(chuàng)性的地圖學成果。利用 NASA 火星勘測軌道飛行器獲得的圖像，美國地質調查局的研究人員繪制了兩幅地圖?！盎鹦?2020”任務的攝像頭將比較火星表面的圖像和地圖，決定如何在最安全的地方著陸。

美國地質調查局繪制的這兩幅地圖中，一幅地圖的分辨率為每像素 25 厘米，精確指出了杰澤羅隕石坑中古三角洲附近的著陸點周圍的危險，該地圖也將作為任務行動的基礎地圖。另一幅地圖是更傳統(tǒng)的地表結構圖，分辨率為每像素 6 米。

“火星 2020”任務將于明年 2 月在穿越火星紅色天空時拍攝到杰澤羅隕石坑的圖片。隨后，它搭載的 TRN 系統(tǒng)將把這些圖像與校準的地圖進行比較，方法類似于面部識別軟件所采用的技術。

美國地質調查局天體地質科學中心的地球物理學研究人員羅賓 · 費加森說：“然后它可以識別，‘我們是否降落在一個紅色像素上？’如果是的話，就發(fā)射反向火箭，盡可能地導航到最近的綠色像素?！?/p>

“火星 2020”任務必須在沒有任何人類幫助的情況下做出這樣的決定。在著陸當天，火星與地球的距離約 2.09 億公里，這意味著任務控制中心發(fā)出的信號到達毅力號需要 11 分鐘以上。火星車的整個進入、下降和著陸（entry，descent and landing，簡稱 EDL）過程將持續(xù) 7 分鐘。TRN 技術應該會使 “火星 2020”任務的 “恐怖 7 分鐘”著陸過程不那么恐怖。

▲美國地質調查局天體地質科學中心利用 NASA 火星勘測軌道飛行器的 “背景攝影機”（CTX）拍攝的圖像，制作了這幅火星杰澤羅隕石坑的拼接圖像。該產(chǎn)品搭載在毅力號火星車上，作為 “真實”數(shù)據(jù)集。在 2021 年 2 月 18 日的進入、下降和著陸過程中，毅力號的 “地形相對導航”系統(tǒng)將使用該數(shù)據(jù)集對自身進行相對于火星表面的定位。

在美國國家航空航天局于 2019 年發(fā)布的一段關于 TRN 的視頻中，噴氣推進實驗室（JPL）的 “火星 2020”任務引導及控制工程師斯瓦蒂 · 莫漢說：“如果我們沒有地形相對導航（TRN），安全降落在杰澤羅隕石坑的概率大約是 80% 到 85%。但對于‘火星 2020’，我們可以把每次安全降落在杰澤羅隕石坑的概率提高到 99%?！眹姎鈩恿嶒炇医ㄔ炝艘懔μ?，開發(fā)了 TRN 系統(tǒng)，并將負責該在火星上的任務操作。

美國地質調查局在這次火星任務中扮演的關鍵角色并不讓人感到驚訝。幾十年來，該機構繪制了許多詳細的地外區(qū)域地圖。成立于 1963 年的太空地質科學中心，目的就是在 NASA 的阿波羅任務之前繪制出月球表面地圖，并幫助宇航員進行月球漫步訓練。美國地質調查局局長吉姆 · 雷利是前 NASA 宇航員，曾執(zhí)行過三次航天飛機任務，他說：“那里有著悠久的歷史，并一直延續(xù)到今天。”

“火星 2020”任務還將首次應用一項名為 “距離觸發(fā)”（Range Trigger）的 EDL 技術，該技術包括更精確、更有針對性的降落傘部署。

“早期的任務是在航天器達到預定速度后盡可能早地部署降落傘。與此不同，‘火星 2020’任務的‘距離觸發(fā)’技術是基于航天器相對于預期著陸目標的位置來部署降落傘，”NASA 官員在一份對任務 EDL 技術的描述中寫道，“‘距離觸發(fā)’策略可以使‘火星 2020’毅力號火星車更接近科學家最想研究的著陸點，可以將火星車到主要工作地點的行駛時間減少一年之多。”

“火星 2020”任務將通過空中吊車系統(tǒng)將毅力號降落在杰澤羅隕石坑的地面，完成 EDL 過程操作。這種方式并不新奇，2012 年，毅力號的前身 “好奇號”火星探測器就利用該技術安全降落在蓋爾隕石坑。不過，空中吊車著陸是如此引人注目且具有科幻色彩，在任何關于 “火星 2020”任務著陸技術的討論中都值得提及。

毅力號在著陸后也將測試一些新的技術。比如，毅力號搭載一臺名為 “MOXIE”的儀器，將在二氧化碳占主導的火星稀薄大氣中產(chǎn)生氧氣，為其他能幫助宇航員探索這顆紅色星球的設備鋪平道路。一架名為 “獨創(chuàng)號”（Ingenuity）的小型直升機將隨毅力號前往火星，并將在那里成為第一架在地球以外世界中飛行的旋翼飛行器。

當然，“火星 2020”首先是一項科學任務。著陸后，毅力號的主要任務將包括尋找古代火星生命痕跡，詳細描述杰澤羅隕石坑的地質特征，并收集和保存樣本，以備將來返回地球。一項由 NASA 和歐洲空間局（ESA）合作的任務將把這些原始的火星物質帶回地球，可快最早在 2031 年。