美国火星2020毅力漫游者的采样系统和采样方法

楼市   2024-11-03 14:03   重庆  
本文“Development and Execution of the Mars 2020 Perseverance Rover’s Sampling Strategy”详细介绍了美国国家航空航天局(NASA)2020年火星毅力号探测器的采样策略的设计、开发和执行情况,包括标准化观测协议(STOP List)和采样太阳日路径(SSP)等关键内容,以下是总结:### 1. 引言
- **火星采样的重要性**:从火星表面返回样本是NASA和行星科学界四十多年来的首要任务。返回的样本能在地球实验室进行分析,有助于实现诸多关键科学目标,如解读火星地质过程、评估火星宜居性、理解行星演化以及量化人类火星探索的潜在环境危害等。
- **毅力号的任务和采样策略需求**:毅力号于2021年2月18日在杰泽罗陨石坑着陆,执行为期约一个火星年(约两个地球年)的主要任务。其科学载荷包括七种仪器,用于从远场成像到微米级矿物测绘等不同空间尺度的研究。此外,它还携带了先进的采样和缓存子系统(SCS)。由于预计采集的样本多样性以及带回地球的需求,需要一种可重复、一致的采样方法,因此设计了相关采样策略。

### 2. 火星2020毅力号探测器
- **科学仪器**    - **成像类**:Mastcam - Z(具有变焦和多光谱功能的全景相机)、SuperCam(能够分析距离探测器14米内目标的多技术激光光谱仪和成像仪)。
   - **分析类**:SHERLOC(用于原位矿物学和有机物测绘的荧光和拉曼光谱仪)、PIXL(用于原位元素测绘的X射线荧光光谱仪)、RIMFAX(用于探测火星地下的探地雷达)、MEDA(用于监测风、湿度、温度和辐射的气象站)。
   - **技术演示类**:MOXIE(将大气$CO_{2}$转化为$O_{2}$的技术演示)。
- **采样和缓存子系统(SCS)**    - **机械臂部分**:机械臂转塔上除了SHERLOC和PIXL仪器外,还有取芯钻、气体除尘工具和设施接触传感器,协同从火星表面采集样本。
   - **探测器内部**:自适应缓存组件(ACA)内有43个超净样品管,其中37个用于存放岩石和风化层样本,5个用于监测污染,还包含一个复杂的样品处理系统以及钻头转盘,用于存放不同类型的钻头。
- **与好奇号的传承关系**:火星科学实验室(MSL)的好奇号探测器为毅力号奠定了基础,首次展示了在火星表面钻孔的能力。其采样系统设计用于获取粉末状岩石材料供仪器分析,并制定了钻孔基线计划,包括对预定钻孔区域的评估等一系列活动,确保了工程和科学活动的连续性。
### 3. 标准化观测协议(STOP List)
- **观测内容确定**:STOP List是在火星2020科学团队和仪器团队成员的反复协作下确定的,旨在确保每个采样点都进行一组最低限度的科学观测。它利用了毅力号的近程和远程科学仪器,涵盖了露头记录、磨蚀斑块表征和岩芯表征三个类别,对每个采样点进行全面评估。
- **磨蚀斑块的作用**:为了获取用于大多数STOP List观测的合适目标,毅力号使用磨蚀钻头在预定采样露头附近制造一个约5厘米宽、8毫米深的平坦斑块,以提供新鲜岩石表面进行分析,该斑块被视为采样点的地质替代物。
- **观测活动的特点**:STOP List观测设计为可重复且易于管理,对探测器资源的影响相对较小,大多数活动持续时间在一小时以内,最长的是PIXL的过夜扫描,通常持续12 - 14小时。这使得在采样太阳日路径中可以插入额外的机会性科学活动。
### 4. 采样太阳日路径(SSP)
- **总体设计**:SSP是一个按时间顺序排列的活动依赖流程图,将所有STOP List和工程相关活动按火星日(sol)顺序组织,以最有效的方式安排活动,目标是最小化完成采样事件所需的sol数量。其一般流程包括驶向采样点、对目标进行侦察成像、钻孔和对磨蚀斑块成像、进行近程和远程传感观测、采集和处理岩芯(或风化层)样本、更换钻头、对钻屑进行远程传感观测以及驶离采样点。
- **影响sol数量的因素**:SSP中sol的数量主要受地面控制回路(GIL)周期和能量的影响。GIL要求前一个sol的数据用于后续sol的活动规划;某些sol的能量消耗较大,在寒冷季节还需要充电sol。此外,如果需要重新定位探测器以更好地进行机械臂操作,可能需要额外插入sol。
- **不同采样策略的SSP**    - **成对采样**:最初为了降低样本直接交付相关风险,毅力号在每个采样点采集成对的岩芯/风化层样本,一个放入初始缓存,另一个留在探测器上。这种采样策略的SSP需要约12个sol完成,在杰泽罗陨石坑的科学考察中执行了7次。
   - **风化层采样**:针对风化层采样设计了独特的STOP List和SSP版本。由于风化层采样无法使用磨蚀钻头制造新鲜表面,而是使用车轮原地旋转制造样本替代表面进行分析。这种采样策略的SSP执行了1次。
   - **单一采样**:在建立初始样本库后,采用了更短的单一采样SSP,约需9个sol执行,预计是剩余样本采集的主要策略,截至2023年12月已执行了7次(其中6次成功采集样本)。
   - **仅磨蚀**:一种更精简的5 - sol仅磨蚀活动序列,用于深入的岩石表征,不一定会采集样本,但保留了升级为完整SSP的选项。在毅力号任务的前约1000个sol中执行了7次。
### 5. 平衡科学与工程需求
- **地面控制回路(GIL)和资源建模**    - **GIL的重要性**:GIL周期和能量消耗是决定SSP中sol数量的主要因素。例如,SuperCam对钻屑进行观测需要前一个sol的工作区图像,这体现了GIL的必要性。
   - **能量平衡**:探测器的能量是一个关键问题,包含机械臂使用和某些科学观测的sol消耗大量能量。通过在模拟活动计划中对活动的持续时间、能量消耗和数据量进行建模,可以准确评估SSP在资源使用方面的可行性,并识别出额外的约束条件。
- **向战术规划的转化**:SSP资源建模的活动计划可直接转化为战术操作。虽然SSP看似是一种严格的规划模式,但它有诸多好处,如减少战术操作中的决策制定,同时允许在资源允许的情况下插入机会性科学观测和工程活动。
- **战略规划的应用**:STOP List和SSP产品还应用于战略活动规划过程。科学团队根据感兴趣的区域制定探索计划,确定高优先级地质区域并分配sol进行特定调查,SSP所需的sol数量是构建毅力号探索和任务时间表的重要指标。
### 6. 早期表面操作中的采样事件执行
- **执行情况总结**:截至约第1000个sol(2023年12月),毅力号执行了7次成对岩芯采样SSP、1次成对风化层SSP、7次单一SSP(6次成功采集样本)和7次仅磨蚀SSP。
- **SSP预测与实际情况对比**    - **差异原因**:尽管STOP List和SSP提供了一致性和可重复性,但实际采样事件与SSP估计有所不同。SSP估计基于正常操作规划,但实际中可能因决策数据延迟、非标称行为(如探测器故障、岩石特性难以预测等)导致实际所需sol数量超过估计。
   - **额外sol的好处**:并非所有sol数量的增加都是由于意外情况,有时科学团队会根据科学考察的指导方针,为了补充科学观测而在SSP中插入额外的sol,这些sol通常包括对磨蚀斑块和采样点附近自然表面的补充观测,丰富了科学回报。
- **人为因素**:在火星上执行SSP是一项技术复杂的任务,需要操作团队之间进行大量的规划和协调。探测器资源管理具有挑战性,特别是在冬季能源需求高的情况下。同时,采样频率较高,操作团队人员分布在不同时区,达成操作时间表的共识是一项挑战,而STOP List和SSP为操作提供了指导和信心。
### 7. 总结
- 从火星表面采集样本是毅力号的关键目标,通过制定STOP List和SSP等战略产品,确保了采样事件的一致性和高效性,平衡了科学、仪器和工程团队的需求。
- SSP会根据任务能力和优先级的变化不断修改,其发展和执行过程为未来复杂的太空任务提供了减少决策制定同时最大化科学回报的经验。

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