中国火星探测寻地避障技术——无视“火星诅咒” 领先就领先美国

都说火星是“荧惑”之星、灾星，“火星诅咒”让全球除美国之外的所有探测任务均告失败，而美国也是历经数次失败才取得的成功，但中国怎么敢第一次探测就实现“绕落巡”的跃进式目标呢？火星诅咒到底是什么？

火星登陆和月球有着极大的不同，一是有大气，二是下落快，三是信号有延迟。

而这三点就形成了致命的“火星诅咒”：在极速降落的最后几秒需要实时精确控制时，火星到地球却有十几分钟的信号延迟。

这急速下落的“恐怖7分钟”是几乎所有火星探测任务失败的关键所在。

“火星诅咒”让众多火星探测任务以失败

这个“诅咒”让所有没有经验的探索者均告失败，欧洲航天局放出的火星登陆器因为点火延迟，最终以300米/秒的速度撞击火星，形成直径15米的陨石坑；前苏联和俄罗斯19次火星探测均告失败；日本唯一一次登陆火星失败了，就连美国也是历经了数次失败才换来的成功。

火星诅咒其实主要来自于三方面

1.有大气

火星周围也笼罩着大气层，这是火星与地球最大的相似之处。 火星大气的密度不到地球大气的百分之一，表面大气压500～700帕。

火星的大气层造成了进入火星的探测器会产生摩擦并产生热量，在气动减速没有完成前无法提前释放降落伞，否则降落伞会被烧毁。

火星的大气密度不到地球的百分之一，降落伞的作用也比在地球要小的多。

这也是区别于登月的主要原因。

同时由于火星大气层没有地球的厚，所以整个下降过程只有七分钟，这七分钟就决定了耗时七个月的火星探测任务成败的关键。

也称作“恐怖七分钟”，大多数火星探测任务就终结于此。

火星有大气系统

2.下落快

火星表面的重力约有地球的1/3强(38%)，比月球的重力只有地球的六分之一大了两倍还多，所以火星探测器承受的重力加速度比月球要大的多。

而遥远的火星由于运载火箭运力限制，无法携带更多的减速燃料。

而这登陆火星的最后“恐怖七分钟”里，要把登陆器的速度从4.8km/s降为0，在缺乏减速燃料和降落伞作用不大的情况下，这个“急刹车”技术就成了登陆火星的关键一环。

火星比月球大的多的重力加速度

3.信号延迟

真正登陆火星的生死之战，其实只是最后着陆前那关键的十几秒。

火星到地球的距离近距离约为5500万公里，远距离则超过4亿公里。当电磁波信号以光速前进时，传送到火星登陆器要用183秒-1334秒的时间，也就是3分钟到20几分钟之间，平均在10多分钟。

在决定生死的十几秒面前，我们的信号却要十几分钟才能送达，也就是说靠人来避险或避障也就变得不可能。

万一反推装置开慢了几秒呢？万一降落区全是乱石呢？万一计算不精确导致着陆速度快了几秒呢？万一着陆器以为着陆成功提前关闭反推呢？

这些种种不可预测因素也就导致了登陆火星跟碰运气一样，成功了实力占一半、运气占一半。

火星：猜猜成功和失败谁先到来？

说到这大家应该明白了，登陆火星完全就是烧钱，用失败积累经验最终才有可能成功登陆火星，经验似乎成了登陆火星无法逾越的鸿沟。这也是“火星诅咒”的根本原因。

中国首创的自主寻地技术无视经验壁垒

我们的太空探索计划一直都被美国拒之门外，不光他自己不跟我们分享数据，也禁止其它国家与我们合作，所以我们要从美国那里获得登陆火星的数据和经验，也就变得不可能。

在我们尚未成功发射过任何火星探测器的情况下，火星的大气、地形、重力等影响登陆的关键详细数据都没有，只有个大概，为何敢无视“火星诅咒”，直接发起对火星的“绕落巡”大胆尝试呢？

我们的科学家并非一时冲动去赌运气，而是我们掌握了一项全球首创的“自主寻地及避障”技术，并在登月上实践获得了成功。

该技术应用在火星登陆上，就给了登陆器自主判断风险、态势感知以及地形规避和自动寻找着陆点的能力，有了这个能力上文所说的三点“火星诅咒”也就迎刃而解。

还记得我们嫦娥4号登月几乎与印度同时进行，为何印度的探测器坠毁了，而我们的没事，就是因为我们有这项技术，才大大增加了登月的成功概率。而印度的登月器就是靠事先输入的程序进行登陆，一旦计算错误或数据不准确，就必死无疑。这就好比我们和印度的自动驾驶汽车都要去同一个目的地，但路上有块石头是事先规划路线时没发现的，我们的自动驾驶汽车发现了石头，进行了自主规避，并重新规划路线寻找更适合的线路到达目的地，而印度的自动驾驶汽车就只能按事先规划好的路线直接撞上去。

NASA公布印度的月球探测器撞击点

比美国本次登陆火星使用LVS着陆器视觉系统更为先进

我们这次使用的“自主寻地避障”技术比美国2020即将发射的火星车上使用的LVS着陆器视觉系统更为先进。这也是我们敢首次探测火星就无视“火星诅咒”直接发起冲击着陆的原因。

美国的LVS着陆器视觉系统美国在经历过几次火星探测失败后，意识到不能只靠事先输入的程序来进行登陆了，2005NASA提出了自主精确着陆危险规避技术，英文简称为ALHAT，支持人员、货物和无人探测器在多类型天体表面软着陆，可在任何光照条件下进行。

这才使得美国的凤凰者在2008年成功登陆火星。

2012年，NASA好奇号火星车登陆火星使用了LVS着陆器视觉系统，通过比对轨道探测器拍摄的火星表面图像调整着落位置。

NASA测试LVS着陆器系统

NASA最近通过将LVS着陆器视觉系统系统安装在一架直升机直升机的前部来测试其性能。

而美国宇航局在2020火星车（即将发射）上仍然使用LVS着陆器视觉系统，更高级的安全精确着陆综合能力演进（SPLICE）项目目前仍然在研发中。SPLICE避障技术未来可以在月球、火星、小行星登陆上使用。LVS着陆器视觉系统可拍摄航天器下方的地形，并且与机载地图进行匹配，简化了主动避障的流程，以LRO火星勘测轨道飞行器提供的高精度火星表面地图为基准，帮助好奇号火星车软着陆火星表面。

简单来说，美国的LVS着陆器视觉系统依靠的是事先拍摄好的高精度表面地图，然后跟机载系统拍摄的实时地况进行对比事先避障，只能说是半智能，还是离不开事先规划好的路线。

我国的“自主寻地避障”更智能，有了自主思考的能力美国的优势在于有LRO火星勘测轨道飞行器提供的高精度火星表面地图，而我们什么都没有怎么就敢于直接降落呢？

因为我们的“自主寻地避障”技术更为智能，不用一定按事先规划的程序做事，而是有了现场勘测、自主思考和寻找最佳地点着陆的能力。所以即使没有高精度火星地图，也一样可以着陆。

此次“天问一号”搭载的自主寻地系统经过了升级更为先进，但就拿月球登陆所使用的系统来说，已经比美国先进很多。

中国火星探测器进行避障实验

嫦娥3号和4号使用的避障技术比LVS着陆器视觉系统更为高级一些，其避障规则不需要精确的月面地图，全靠光学成像敏感期所捕捉的着陆区光学图像。嫦娥3号在国际上首次使用了接力避障模式，分为粗避障、精避障和着落功能保持。

接力避障模式粗避障：依靠着陆区光学图像，可识别较大的山脉和撞击坑，图像通过二维恢复筛选出安全着陆区。

精避障：使用高精度三维成像敏感器进行多点扫描，获取着陆区三维高程数据，进一步筛选安全着陆点。

着落功能保持：这也是我们区别于其它火星登陆器的亮点，我们的火星着陆器在离地面30M时就减速为0，进行悬停，通过三维高程扫描和分析后寻找着陆点再以2M/秒的速度下降，这才是真正的软着陆技术，跟其它国家用气囊包裹硬冲击着陆完全不同。

中国火星探测器发射成功

形象的比喻就是美国的着陆技术像蝙蝠，无需视觉利用雷达回波和地形比对降落；而我国的的着陆技术好比老鹰，直接用肉眼观测并自主判断着陆点。

虽然我国在太空探索上整体距离美国还有差距，但正在个别领域实现反超，这一点点的进步完全是我们自力更生取得的，虽然步履蹒跚，但斗志昂扬。正是因为这项在月球登陆就成功测试过的关键技术做保障，才让我国有了这次大胆尝试的信心所在。

在此祝愿“天问一号”一切顺利，七个月后，火星见。