祝融号火星车科学探测模式设计与验证.pdf
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1、Design and Verification of Scientific Exploration Mode of Zhurong Mars Rover(in Chinese).Chinese Journal of Space Science,2023,43(3):485-WANG Lianguo,ZHU Yan,ZHANG Baoming,SHEN Weihua,LI Xue,XUE Bin,LI Yuxi,XU Weiming,SUN Shuquan,CAI Zhiguo,WANG Wei.0254-6124/202343(3)-0485-14Chin.J.Space Sci.空间科学学报
2、498.D0I:10.11728/cjss2023.03.20220022祝融号火星车科学探测模式设计与验证朱岩11王连国1张宝明沈卫华1李雪1 薛薛彬2李玉喜3徐卫明456孙树全蔡治国王蔚11(中国科学院国家空间科学中心北京100190)2中国科学院西安光学精密机械研究所西安710068)3(中国科学院空天信息创新研究院北京100190)4(中国科学院上海技术物理研究所上海200083)5中国科学院地质与地球物理研究所北京100029)6(北京遥测技术研究所北京100076)摘要受通信能力低、能源不足等限制,祝融号火星车有效载荷科学探测需提高探测效率,以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。祝
3、融号火星车的巡视探测科学任务着眼于火星局部地区,包括火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况。统筹考虑祝融号火星车移动能力、通信能力、能源能力、热控能力等约束,合理划分工程活动和科学探测活动可用的资源,协调使用火星车的杆和移动系统,优化组合各载荷工作模式,设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合,解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。祝融号火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务,设计的科学探测模式全部得到在轨验证。结果表明这些模式设计合理有效,满足安全、自主、高效开展科学探测的需求。关键词祝融号火星车,有效载荷,科学探测模式,移动探
4、测,就位探测中图分类号V446Design and Verification of Scientific ExplorationMode of Zhurong Mars RoverWANG LianguoZHU YanZHANG Baoming11SHEN WeihuaLI Xuel1LI Yuxi35XUE BinXUWeiming2.346SUN ShuquanCAI ZhiguoWANGWeil1(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)*国家航天局探月与航天工程中心首次火星探测项目
5、资助2022-05-19收到原稿,2 0 2 2-0 8-2 4收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)2023,43(3486空间科学学报Chin.J.SpaceSci.2(Xian Institute of Optic and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xian 710068)3(Aerospace
6、 Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)4(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083)5(Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029)6(Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076)A
7、bstractThe Zhurong Mars rover conducts high resolution in situ surveys in a critical area of Mars.The scientific payloads mounted on the rover include:Navigation and Terrain Camera(NaTeCam),Mul-tispectral Camera(MSCam),Mars Rover Penetrating Radar(RoPeR),Mars Surface Composition Detec-tor(MarSCoDe),
8、Mars Rover Magnetometer(RoMAG)and Mars Climate Station(MCS).Their scientif-ic exploration tasks include studying topography and geological structure of the Mars roving area;sur-veying the soil structure(profile)of the Mars roving area and searching for water ice;surveying ele-ments,minerals,and rock
9、 types of the Mars roving area;and surveying the atmosphere physical charac-teristics and the surface environment of the Mars roving area.To obtain as much exploration data aspossible with limitations on low communication capability and insufficient energy,it is necessary to im-prove scientific expl
10、oration efficiency of the Zhurong Mars rover.There are two major operating condi-tions for the payloads,conducting roving exploration when the rover moves and in-situ exploration whenthe rover stops.Several high-efficiency payload exploration modes are developed for those two condi-tions.When design
11、ing the exploration modes,some aspects need to be considered.The first aspect ismyriad of constraints,including rover resources and safety,the Martian environment,telecommunica-tion,and the limitations of the software,hardware,and processes involved.The second,the rover is ashared resource:a variety
12、 of science and engineering activities must divide the available energy,time,and transmitted data volume,and must coordinate the use of the rovers mast and mobility systems.The third point is that each payload has multiple operating modes that must be optimized and com-bined.The exploration modes,wo
13、rking with autonomous control based on work mode command set,solved the problem of multiple payloads performing collaborative scientific exploration under resourceshortage conditions.The Zhurong Mars rover has successfully completed the scheduled exploration mis-sion.All scientific exploration modes
14、 have been verified.The results demonstrate that the explorationmodes are suitable and effective,and can meet the requirements for conducting safe,autonomous,andefficient scientific exploration.Key wordsZZhurong Mars rover,Payload,Scientific exploration process,Roving exploration,In situexploration0
15、引言2021年5 月2 2 日,祝融号火星车行驶到火星表面,开展了环境感知、移动、科学探测等工作。火星车巡视探测科学任务着眼于在火星局部地区开展高精度科学探测,包括火星巡视区形貌和地质构造探测,火星巡视区土壤结构(剖面)探测和水冰探查,火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探测,以及火星巡视区大气物理特征与表面环境探测为了完成这些科学探测任务,祝融号火星车上配置的科学有效载荷包括导航地形相机、多光谱相机、火星车次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪。导航地形相机获取沿途地形地貌数据,支持火星车路径规划和探测487王连国等:祝融号火星车科学探测模式设计与验证目标选择,
16、用于开展形貌特征与地质构造研究;火星车次表层探测雷达获取地表以下分层结构数据,用于浅表层结构分析,探寻可能存在的地下水冰;火星气象测量仪获取气温、气压、风速、风向等气象数据,用于开展大气物理特征的研究;火星表面磁场探测仪获取局部磁场数据;火星表面成分探测仪、多光谱相机获取特定岩石、土壤等典型目标的光谱数据,用于元素和矿物组成等分析研究 2 。由于地球与火星距离遥远,通信速率低,延时大,火星车工作时无实时测控,同时能源受限,因此火星车有效载荷的科学探测必须在适应上述约束的前提下,提高探测效率,以有限资源获取尽可能多的有效探测数据,而且还要减少火星车与地面的交互,降低地面运控的复杂度。受条件约束,
17、NASA的好奇号火星车大多数科学活动安排在火星上的白天进行,在前9 0 个火星日(Martianday,s o l)的任务早期阶段,地面运控团队与火星时间基本同步,夜间发送下一个白天的探测计划,白天火星车进行探测。由于火星探测具有探索未知的性质,因此根据有效载荷的灵活性以及火星车的能力,可能以多种方式开展探测任务。然而为了解如何在限制条件下优化科学操作,任务规划团队开发了一组示例火星日工作模型,并将其集成到任务场景中。此场景包含解决任务科学目标的典型科学探测活动,包括火星车行驶和使用的所有仪器 3。通过优化设计任务流程,好奇号火星车从2 0 1 2 年8 月6 日登陆火星至2 0 2 0 年8
18、 月5 日,已工作2 8 44个火星日,收集了数十万张图像、数千个岩石和土壤目标的约一百万次光谱测量数据、数百万次环境测量数据,分析了33个钻孔岩石或挖掘的土壤样本。与好奇号类似,在9 0 个火星日寿命期内,祝融号火星车有效载荷探测也是在火星白天进行的。根据事前掌握的火星环境信息,考虑祝融号火星车的移动能力、通信能力、能源能力、热控能力,各种科学探测活动和工程活动必须划分可用的能源、时间和传输数据量,并且必须协调使用火星车的杆和移动系统。为此,设计了典型的火星车移动时载荷探测模式和火星车静止时载荷就位探测模式。在火星表面工作一段时间后,再根据资源条件优化这些探测模式,尽可能发挥火星车及有效载荷
19、的潜力,探索一些拓展载荷探测模式,丰富科学成果。本文分析了祝融号火星车载荷探测面临的约束条件,根据祝融号火星车探测模式总体设计,阐述了祝融号火星车有效载荷的科学探测模式设计和在轨验证情况。设计的科学探测模式经过在轨验证,满足本次火星巡视探测任务需求,为中国后续深空探测任务火星车载荷探测提供了参考。1火星表面巡视探测任务约束火星表面巡视面临的主要困难是在火星表面复杂地貌和气象条件下,安全、自主、高效地开展移动和探测。巡视探测任务有以下三方面约束条件。(1)任务环境新,不确定性大。开展火星探测面临着各种新环境,例如火星稀薄大气、表面风场、全球尘暴、复杂形貌、剧烈变化热流、火星重力等,高低温(-1
20、2 3+2 7)交变环境直接影响火星车生存 5)。火星车上载荷要经历发射、地火转移、环火、着陆、火面巡视等阶段,需要适应力学、热、辐照、低气压等特殊环境,载荷设备需要解决白天低温条件下的工作问题,以及夜间极端低温下的存储问题。此外,有效载荷的传感器安装在火星车舱外,面临着火星沙尘的影响,需设计必要的防尘措施,并考虑被沙尘覆盖后的影响。(2)资源约束强,重量、能源和数据量约束非常苛刻。受火星弱光照、沙尘等影响,火星车能源并不充足,要尽可能减小设备功率,压缩设备工作时长,这要求载荷设备探测流程应紧凑、高效。火星车9 0 个火星日寿命期内,通过环绕器中继通信,每天仅有2 次器间通信窗口,能够下传有效
21、载荷的数据量约为50Mbit。9 0 个火星日后,环绕器变轨到遥感轨道,每天仅有1 次通信窗口或者无通信窗口,下传数据量进一步减少 。因此,各设备要以尽可能少的数据支持科学探测任务,也要压缩上行指令和下行遥测参数。(3)自主能力需求高。火星与地球的距离在5700万至4亿千米之间变化,通信速率低(前向64kbitsl,返向2 0 48 kbitsl),时延大(6 44min)。火星车一般通过环火轨道的环绕器中继通信实现与地面的通信,而火星车开展巡视探测时,无中继通信弧段,即无法对火星车进行实时测控。因此针对通信能力有限的约束,要求火星车及有效载荷能够按规划的探测指令计划自主开展工作。488202
22、3,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报2祝融号火星车整体探测模式根据上述探测任务的约束条件,对于每个火星日的探测工作,均应按照总的科学探测任务安排,根据该火星日已知的约束条件进行规划。这些约束条件包括地球与火星的距离、地球与火星时间差、火星车行驶路径地形、通信窗口时间、下行链路数据传输能力、用于科学探测可用能源的时间分布、满足载荷工作温度的时间分布等。区别于传统的航天器控制,火星车不能事先在地面进行长周期规划,而基于“发令一等待执行效果下行一评估一发令”的模式效率低下,无法满足任务要求。火星车探测模式采用的策略为:地面一次规划、一次上行一个工作日的指令控制序列,火星车存储并
23、按照设计的指令时间执行,期间没有任何地面监督和状态确认操作。后一个火星日的地面规划建立在前一个火星日规划成功执行且地面对火星车当前状态具备全面认知的基础上。指令序列规划管理火星车一整天的资源调度、科学探测、运动以及期间的器务事项。火星车任务规划是在满足多约束条件下,规划火星车在一个火星日内的移动、探测、感知、通信、太阳翼最优指向等行为计划和行为对应的控制参数,生成火星车行为序列,并最终输出一个火星日的完整指令控制序列和控制策略。考虑火星车自主能力和任务要求,任务规划需基于器上自主和地面规划,令二者独立或者联合,进一步优化扩展火星车行为,在确保安全的前提下,最大化科学探测目标 7。整体上,按照“
24、七日一周期,一日一规划,每日有探测”的高效探测模式,开展火星车的移动模式探测和定点探测。为解决地火通信受限情况下复杂的载荷探测指令无法上行的问题以及载荷工作安全性问题,设计了基于简单指令的高效探测控制模式,地面仅需设定探测目标和模式,大量控制指令由器上自主调用器载工作模式表(指令库)完成。相对于传统指令模式,上行指令条数可大幅减少。为解决地火通信受限情况下的高效探测问题,采用移动与探测综合规划方式,减少器地交互次数,提高探测效率。传统的定点探测通常先移动到探测停泊点,再进行环境感知,经地面确认探测停泊点位置以及探测点位置后再进行探测,需要进行三次器地交互才能完成一个探测点的探测任务。提出的移动
25、与探测综合规划方法的工作模式如图1 所示 6,探测前先进行环境感知,在StartsiteEnvironmentsensingIn-situexplore3Visual odometry1ExploreDetectradiussite3Stopsite3StopIn-situsite 1Visualodometry moveexplore 11Visual odometrymoveExploresitelStopsite2RExploresite 2SensingradiusIn-situexplore 2图1祝融号火星车高效探测工作模式Fig.1Efficient exploration mo
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