首个开源 Linux 系统登陆火星，占有率超 Windows，一同登录还有一款安卓手机芯片...
來源| 量子位? 作者 | 賈浩楠 蕭簫 ?公眾號 QbitAI
“確認著陸！毅力號安全到達火星表面。”
就在昨日凌晨4點55分，美國“毅力號”不經變軌，直接沖入火星大氣層，最終成功著陸。
“毅力號”成功著陸后，很快傳回了首張圖片。
這是美國自2012年以來，再一次以“空中吊車”的方式成功著陸火星，還給火星“帶”來了首個開源Linux系統以及飛行軟件框架F Prime。
F Prime裝在名為“機智號”的無人機上，由毅力號攜帶到火星。
這也是直升機技術在地球外的首次使用。
值得一提的是，“機智號”上面，搭載的是高通驍龍Robotics Flight 801平臺。
其實它的核心就是2014年旗艦手機上的高通驍龍801芯片，與小米4同款（7年前用過的手機SoC現在登陸火星了）。
“空中吊車”式著陸
與“好奇號”相似，這一次“毅力號”同樣以“空中吊車”（sky crane）的方式著陸火星。
這種方案，會將著陸器分成兩部分，上部分是一個空中吊車，自帶8個強力反推火箭，下部分則是火星車。
從保護罩中被釋放后，“毅力號”火星車將被吊車懸掛，通過尼龍繩和負責信號、控制指令傳輸的電纜，連接“吊車”并報告實時狀態。
吊車穩定接觸地表后，將瞬間切斷尼龍繩和電纜，并用盡所有能量飛離“毅力號”火星車、并墜毀。
這次，“毅力號”在降落過程中，采用了2項新技術。
其一，為了盡可能降低著陸過程中的風險，在降落過程中，“毅力號”會快速拍照，通過距離觸發技術，評估與火星地面的距離。
期間，“毅力號”被包裹在保護隔熱罩中，在穿過大氣層后，打開降落傘減速降落。
在這之后，隔熱罩就會飛離，與吊車和火星車分開。
接下來，將采用第二項技術，即地形相對導航技術。系統利用這一技術，將著陸器拍的照片與機載地圖相比較，確定著陸區環境，避開危險地形。
這次，“毅力號”降落的地點“耶澤羅隕擊坑”（Jezero crater）附近散布著巨石、懸崖和沙丘，地勢較為嚴峻。
但通過地形相對導航技術，吊車憑借點燃的8個反推火箭，引導“毅力號”避開了危險區域，最終成功著陸。
這次，毅力號還攜帶了兩個麥克風（也是麥克風第一次被送上火星），來傾聽火星上的聲音。
這次將完成什么任務？
這次，“毅力號”火星車帶來了7臺重要儀器。
包括全景相機、激光測距儀、X射線光譜儀、紫外光譜儀、制氧器、氣象觀測設備、雷達等等。
這次它的主要任務，首先在著陸的火星遠古湖泊地形中尋找生命可能存在的證據。
第二項任務，是采集火星地表土壤和巖石樣本，并就地封存，等待今后NASA的火星任務將它取回來。
其它兩項任務，包括探索著陸區域的地質多樣性、為未來的火星任務驗證新技術，這其中就包括了無人機的首飛實驗，以及為登錄火星的宇航員制備氧氣。
火星首飛無人機，有什么黑科技？
重達一噸的毅力號火星車，史無前例的巨大和復雜，搭載了近十種科學儀器和探測設備。
但是，即使如此，火星車仍然有很大的局限，難以滿足人類探索的好奇心。
首先是受制于火星嚴酷的環境條件（平均-63℃），火星車的移動速度十分緩慢。
人們最為熟知的“好奇號”迄今為止已運行了八年多，才累積行駛了22公里，平均速度還沒有蝸牛快。
其次是火星車“越野”能力不足，無法進入山谷、坑道、懸崖等復雜地形作業。
于是，NASA的研究人員就想了一個辦法來擴展火星車的視野——無人機。
即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號 （Ingenuity），藏在火星車腹艙內一起登陸。
第一次登陸火星的機智號并沒有承擔任何具體的科研任務。
它的主要使命，就是驗證無人機在火星環境中的可行性，收集飛行和火星大氣數據，為今后能真正執行任務的無人機迭代經驗。
那么，人類首架火星無人機，要克服哪些地球上沒有的困難，又有哪些黑科技和看點？
只有1%大氣壓也能飛
給火星車配一個無人機，其實這個點子不難想到，真正的難點在于：怎么讓它飛起來？
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??火星表面的重力大約只有地球的1/3（38%），看起來似乎很容易起飛，但有一點非常致命：火星大氣的密度只有地球的1%。
這相當于在地球上3萬米以上的高空起飛，而目前的高原型無人機，也不過可以確保最高在6500米的海拔正常飛行。
除了大氣密度低，火星上的音速也比地球低不少，只有240米每秒。
如果葉片的自旋末梢速度超過音速，就會引發強烈的顫振，所以要把葉片的轉速限制在每秒40轉之內。
限制轉速，又要有足夠升力，這就要求整個設備不能過重。
最終的方案是無人機全重1.8公斤，高0.5米。采用頂部安裝兩對碳纖維螺旋槳來提供動力，直徑1.2米，設計轉速可達每分鐘2400轉，功率350瓦。
測試階段，NASA的JPL實驗室準備了一個名叫“空間模擬器”的巨大房間，可以模擬無人機在離開地球之后可能面臨的各種極端氣溫，以及火星大氣、重力環境。
最終，機智號實現了在-90℃的模擬火星環境下正常工作，水平移動的速度為10米每秒，爬升速度為3米每秒。
實現基本功能后，無人機還有一個重要挑戰，就是通信和控制。
但火星和地球距離有10光分左右，不可能實現實時控制。
注：光分，即光在真空中一分鐘所行走的距離。
所以，研究團隊設計了一個指令列表，預裝在毅力號上，由火星車對無人機進行通信指揮。
所以，機智號不能離火星車太遠，設計的4次飛行測試，范圍都不超過50米，時間也在90秒之內。
飛行中，無人機會捕捉圖像，而毅力號也有可能拍下一些機智號盤旋在空中的圖像。
首架火星無人機，7年前手機同款芯片
你沒看錯，火星無人機上用的處理器，就是小米和其他很多普通民用手機的同款。
而且，還是7年前的旗艦手機小米4同款芯片——高通驍龍801（28nm制程）。
為什么選擇民用產品？
最重要的原因是，無人機對實時數據處理要求更高，包括飛行時的姿態控制、圖像處理等等任務，而火星車上搭載的成熟產品不能滿足要求。
一般來說，為了保證航天任務的成功率，傳統航天器使用的設備，都偏重成熟穩定型號。
比如好奇號火星車的電腦使用的 CPU 是PowerPC 750（150nm制程，最高主頻200MHz），其他的硬件配置也很低。
但由于機智號本身是實驗驗證性質，NASA反倒愿意承擔一些風險，特別允許項目組在市場上采購民用產品。
最終選定的驍龍801處理器，除了體積小、抗輻射指標達標之外，算力更是比毅力號火星車上的處理器高好幾個數量級。
除了處理器，機智號無人機的導航設備，包括慣性測量單元IMU、激光測距儀等等設備，都是通過電商平臺SparkFun購買的，而且它們都是普通的手機級硬件。
這些民用品能不能在火星上與航天軍工產品一較高下，很快就會見分曉。
首個火星無人機代碼，開源！
NASA“一聲炮響”，給火星送來了Linux系統「手動狗頭」。
沒錯，成功著陸的毅力號火星車，第一次把Linux操作系統帶上了火星。
之前的NASA的火星探測器，使用的是VxWorks商業操作系統。
使用Linux系統的設備，正是即將進行史上首次火星飛行的無人機機智號 （Ingenuity）。
而且，NASA的噴氣推進實驗室為火星無人機開發的Linux飛行控制系統，開源了。
現在，任何開發者都能在Github上下載NASA火星無人機“同款”代碼，并用在自己的飛行器上。
隨著美國“毅力號”著陸、并開始進行一系列任務的同時，我國的“天問一號”，也已經在進行著陸的準備。
天問一號怎么樣了？
目前，天問一號已經于2月10號入軌，并計劃于5月左右，實施火星車登陸任務。
與毅力號直接進行“空中吊車”著陸的方式不同，天問一號將采用動力下降進行著陸的方式，即火箭反推懸停降落技術。
就是說，反推火箭會一直工作，直到著陸器降落到火星表面。
相比于著陸器本身，這項技術需要的燃料罐和反推火箭體積更大，傳感系統也都裝在著陸器底部。
由于燃料罐和反推火箭沒有辦法在著陸前完成脫離，因此，需要著陸腿增大跨距，以提高著陸安全性。
這也是目前最安全的著陸方案，著陸后，著陸器將放出火星車。
天問一號攜帶的火星車，采用太陽能供電，設計壽命90天。
如果最終這輛火星車成功著陸并運行，將成為人類史上首個一次性完成“繞、落、巡”的火星探測器。
期待它在5月份的表現。
NASA火星無人機開源地址：
https://github.com/nasa/fprime
參考鏈接：
https://www.wired.com/story/nasa-lands-the-perseverance-rover-on-mars/
https://www.nature.com/articles/d41586-021-00432-1
https://arstechnica.com/science/2021/02/what-to-expect-from-the-dramatic-mars-perseverance-landing-on-thursday/
https://spectrum.ieee.org/automaton/aerospace/robotic-exploration/nasa-designed-perseverance-helicopter-rover-fly-autonomously-mars
https://www.futurezone.de/science/article216775269/Der-Mars-Hubschrauber-funktioniert-die-NASA-hats-bewiesen.html
總結
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