揭秘“好奇號”火星探測器的硬件、軟件和相機等儀器

發布時間：2012-8-7 17:00 發布者：1770309616

北京時間8月6日13：31分，美國宇航局好奇號火星車在火星著陸，它將展開為期兩年的任務，主要任務是探索火星過去或者現在的環境是否適宜生命存在。下面一起來了解一下好奇號的硬件、軟件配置：硬件：2004年勇氣號（Spirit, MER-A）和機遇號（Opportunity，MER-B）火星探測器著陸火星，它們配備了3MB EEPROM、128MB內存、256MB閃存。好奇號（Curiosity）有哪些變化呢？

好奇號的Rover Compute Element包含兩套完全相同的計算系統，其中一套作為備用，當第一套計算系統出現故障時自動啟用。這個新的計算系統采用256K EEPROM、256MB內存、2GB閃存，CPU為BAE RAD750（1040萬晶體管，核心頻率110到200 MHz），基于IBM的PowerPC 750設計而來，速度達到400 MIPS（勇氣號和機遇號為35 MIPS），可以承受-55和70度氣溫變化以及1000gray的輻射水平。

RAD750

軟件
在軟件方面，NASA不敢冒險，采用的是一款成熟的、具有27年之久的VxWoks操作系統。VxWoks由 Wind River Systems（已被Intel收購）開發，是在大量嵌入式系統中采用的實時操作系統，之前的火星探測器（旅居者、勇氣號、機遇號）、火星偵察軌道器、 SpaceX Dragon太空飛船采用的都是VxWorks。此外，VxWorks還廣泛應用于BMW iDrive、美軍戰斗機、阿帕奇直升機、Apple Airport Extreme和Linksys WRT54G路由。

其實，說VxWorks已經27年之老有些過分，它于1985年發布，但是在進行持續開發，去年已經是6.9版本了。為什么好奇號要使用 VxWorks？因為它非常可靠，而且包含成熟的開發工具鏈，據推測，其底層調度和中斷系統適用于處理EDL（進入、降落和著陸，即“恐怖七分鐘”）這樣的實時任務。

好奇號火星漫游車使用的是BAE制造的RAD750處理器，運行的是Wind River Systems開發的嵌入式實時操作系統VxWorks。根據開發者的幻燈片介紹(

havelund.pdf (7.4 MB) )，好奇號代碼共250萬行，程序語言是C，多是用Python腳本自動生成，

NASA JPL共有30名程序員參與開發，測試團隊超過10人，超過一百萬行代碼是手寫。程序包括150個獨立模塊，每個模塊執行不同的功能，高度耦合的模塊組合成組件。

好奇號更多配置：
儀器
好奇號就是一臺有輪子的科學實驗室，它有17臺相機，全部配備1600×1200（200萬像素）CCD傳感器。MastCam可將高清晰度的火星景觀以720p 10 fps視頻真彩色傳輸。它還有手臂成像儀，是一個機械臂，可以采集火星土壤和巖石并提供顯微圖像。科學的角度來看，可能最重要的是ChemCam相機，它能向火星巖石或土壤發射激光，使其表面薄層汽化，而后分析汽化后的成分。它包含一個可以確認受激原子類型的光譜儀和一個可以捕捉激光照射區域詳細圖像的望遠鏡，其激光器位于好奇號桅桿上。好奇號還有火星手持透鏡成像儀功能相當于一個超級放大鏡，位于好奇號機械臂末端，可以拍攝火星表面巖石、土壤的詳細圖像，其精細度可以達到拍攝出一根頭發絲的水平。這臺儀器相當于科學家的一個高科技手持透鏡，可以對準他們希望對準的任何地方。桅桿相機安裝在好奇號主車身上方的桅桿上，由兩個彩色相機組成，是好奇號的主要成像工具。它相當于好奇號的左、右眼，可以拍攝火星表面的三維圖像。

動態中子反照率探測器安裝在好奇號主車身背部附近，用于尋找火星地下的水冰以及晶體結構中含有水分子的礦物。這臺儀器可向火星地表發射中子束，然后記錄中子束的散射速度。氫原子可以延緩中子的速度，如果大量中子速度遲緩，便說明地下可能存在水或者冰。這一由俄羅斯航天署提供的探測器能夠發現火星地表下50厘米以內的氫原子。

安裝在美國“好奇”號火星車上用于尋找水和水合礦物的俄羅斯中子反照率動態探測器(DAN)將在火星車登陸火星后，于本周四(8日)或周五(9日)首次開啟。6日上午，去年11月發射升空的美國“好奇”號火星探測車在火星南半球的蓋爾隕坑區域成功登陸，目前探測車已經傳回首批地表圖像。

米特羅法諾夫說：“探測器將分兩個階段啟用，首先會在本周四至周五在不啟動中子發生器的情況下開啟所謂的被動模式；第二階段則是下周在啟動中子發生器的情況下開啟積極模式。”
　　被問及火星探測車何時能夠行動起來時，他說，一切都取決于對機載設備的檢查情況。

　　專家說：“如果一切如今天著陸一樣順利進行，預計火星車可于大約兩周后行動起來。”

通訊
好奇號火星車的動力是由一臺多任務放射性同位素熱電發生器(MMRTG)提供的，這臺設備由美國能源部提供。這臺發電機本質上是一塊核電池，它可以將熱能轉化為電能。好奇號的核燃料電池設計壽命長達14年，這個核電池支持好奇號將數據從250萬英里遠的地方傳回，好奇號可以直接通過X波段（8GHz）與地球的深空網（DSN）聯系，也可以使用UHF（300MHz-3GHz）天線通過火星奧德賽號和火星勘測軌道飛行器與地球聯絡。

好奇號傳回地球的Hazcams拍攝的火星圖片

昨天美國NASA的“好奇號”探測器成功登陸火星，并傳回了一些在火星拍攝的照片。不過真正令我們感到好奇的是，“好奇號”使用的是什么相機？現在NASA與我們分享了這一問題的答案。

火星科學實驗室（MSL，又名“好奇號”）上裝著兩部相機。其中之一擁有一支34mm f/8鏡頭，可以覆蓋15度視角場，CCD傳感器分辨率1600×1200像素，拍攝照片分辨率1200×1200像素。另一臺相機裝有100mm f/10鏡頭，視角場5.1度，使用相同的傳感器。

這兩臺相機均使用拜耳陣列CCD傳感器，可以拍攝彩色照片。它們的濾鏡經過調整，可以捕捉不同波長的光線。這兩臺相機還可以拍攝720p高清視頻，360度全景照片，甚至使用兩支鏡頭拍攝3D圖像。

因為文件數據量太大——約8GB，“好奇號”拍攝的照片不會立即傳回地面，而是先以縮略圖的形式回傳。

還將利用攜帶的10種科學武器探索這顆紅色星球過去及現在是否存在適宜生命存在的環境。以下是“好奇”號裝備情況介紹。
桅桿相機

桅桿相機安裝在“好奇”號主車身上方的桅桿上，由兩個彩色相機組成，是“好奇”號的主要成像工具。它相當于“好奇”號的左、右眼，可以拍攝火星表面的三維圖像。

化學與攝像機儀

化學與攝像機儀最遠可向約9米外的火星巖石或土壤發射激光，使其表面薄層汽化，而后分析汽化后的成分。它包含一個可以確認受激原子類型的光譜儀和一個可以捕捉激光照射區域詳細圖像的望遠鏡，其激光器位于“好奇”號桅桿上。

阿爾法粒子X射線光譜儀

阿爾法粒子X射線光譜儀安裝在“好奇”號機械臂末端，負責測量火星巖石和泥土中不同化學元素的豐度。這一儀器與樣本接觸后，能發射X射線和氦核，將樣本元素中的電子轟出原子核軌道，進而產生X射線。根據放射出的X射線特征，科學家能夠確定遭轟擊元素的類型。

火星手持透鏡成像儀

火星手持透鏡成像儀功能相當于一個超級放大鏡，位于“好奇”號機械臂末端，可以拍攝火星表面巖石、土壤的詳細圖像，其精細度可以達到拍攝出一根頭發絲的水平。這臺儀器相當于科學家的一個高科技手持透鏡，可以對準他們希望對準的任何地方。

化學與礦物學分析儀

化學與礦物學分析儀可通過X射線衍射分析“好奇”號機械臂搜集的粉末狀巖石和土壤樣本，確定其中的礦物晶體結構。X射線衍射是地質學家在地球上常用的重要分析技術，但在火星上還從未使用過。

火星樣本分析儀

火星樣本分析儀是“好奇”號的心臟，重約38公斤，約占“好奇”號科學儀器總重量的一半。它由3個獨立的儀器構成：質譜儀、氣相色譜儀和激光光譜儀。這些儀器負責搜尋構成生命的要素——碳化合物。它們還將搜尋與地球上生命有關的氫、氧和氮等元素，評估某些元素不同同位素的比例，尋找行星變化的線索。

火星車環境監測站

火星車環境監測站安裝在“好奇”號桅桿中部，負責測量火星氣候的日常和季節性變化。它能夠評估火星表面風速、風向、氣壓、相對濕度、地面溫度、紫外線輻射程度等。這一設備是由西班牙提供給美國航天局的。

輻射評估探測器

輻射評估探測器用于準備未來的火星探索任務。它能監測來自太陽的高能原子和亞原子粒子，評估火星表面的輻射環境及其對未來登陸火星宇航員的危害。這些信息對未來的載人火星探索以及評估火星是否具有適于生命存在的環境都很重要。

動態中子反照率探測器

動態中子反照率探測器安裝在“好奇”號主車身背部附近，用于尋找火星地下的水冰以及晶體結構中含有水分子的礦物。這臺儀器可向火星地表發射中子束，然后記錄中子束的散射速度。氫原子可以延緩中子的速度，如果大量中子速度遲緩，便說明地下可能存在水或者冰。這一由俄羅斯航天署提供的探測器能夠發現火星地表下 50厘米以內的氫原子。

火星降落成像儀

火星降落成像儀是一臺小型攝影機，安裝在“好奇”號主車身上，負責拍攝“好奇”號著陸過程的影像，并為科學家提供蓋爾隕坑的地質信息。

文/驅動之家

有關：“好奇號”火星探測器采用西門子PLM Software

　8月5日，“好奇號”火星探測器成功登錄火星。在“好奇號”開發過程中，NASA全程使用了SiemensPLM提供的產品生命周期管理軟件進行數字化設計、模擬和虛擬組裝。

　　“好奇號”火星探測器在太空船中以7萬英里的時速飛行了8個多月后，于2012年8月5日以1.3萬英里的時速進入火星大氣層，并減速至每小時2英里以下。在距離火星表明僅21英尺的上方盤旋時，承載“好奇號”的太空艙將火星探測器降落至一個升降裝置上，由后者輔助探測器輕緩著落，無需來自地球的任何幫助。成功與否，僅此一次機會。為此，美國國家航空航天局(NASA)的噴氣推進實驗室(JPL)做了數百次的仿真作業，為諸多不確定條件做好充分準備——有些條件在地球上是無法模擬的。這些工作不僅需要全國眾多科學家與工程師的協力合作，同時對硬件條件也有一定的要求。綜合考慮各種因素，NASA最終決定與西門子PLM合作。在此前召開的聯合記者會上，美國國家航空航天局（NASA）火星探測計劃項目主管DougMcCuistion與西門子股份公司工業業務領域首席執行官魯思沃博士（SiegfriedRusswurm）還共同探討了即將到來的太空探索新時代以及NASA工程師和西門子軟件技術在實現未來太空探索中發揮的重要作用。

應用西門子PLM軟件設計火星探測器

　　NASA在本次開發過程中，采取了SiemensPLMSoftware提供的解決方案。JPL實施了NX軟件，作為端對端機械設計平臺。NX為JPL提供了一個將CAD/CAM/CAE（計算機輔助設計/計算機輔助制造/計算機輔助工程）完全集成的系統——用于開發探測器的機械部分。此外，JPL還利用Teamcenter軟件為整個數字化生命周期的結構化產品與過程信息管理提供單一源。

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