Næste Mars-rover vil have 23 øjne

Da NASAs Mars Pathfinder landede i 1997, det havde fem kameraer:to på en mast, der sprang op fra landeren, og tre på NASAs første rover, Sojourner.

Siden da, kamerateknologien har taget et kvantespring. Fotosensorer, der blev forbedret af rumprogrammet, er blevet kommercielt allestedsnærværende. Kameraer er skrumpet i størrelse, øget i kvalitet og er nu med i alle mobiltelefoner og bærbare computere.

Den samme udvikling er vendt tilbage til rummet. NASAs Mars 2020-mission vil have flere "øjne" end nogen rover før den:i alt 23, at skabe fejende panoramaer, afsløre forhindringer, studere atmosfæren, og hjælpe videnskabelige instrumenter. De vil give dramatiske udsigter under roverens nedstigning til Mars og være de første til at tage billeder af en faldskærm, når den åbner på en anden planet. Der vil endda være et kamera inde i roverens krop, som vil studere prøver, efterhånden som de opbevares og efterlades på overfladen til indsamling af en fremtidig mission.

Et øjebliksbillede af nogle Mars 2020-kameraer

• Forbedrede ingeniørkameraer:Farve, højere opløsning og bredere synsfelter end Curiositys tekniske kameraer.
• Mastcam-Z:En forbedret version af Curiositys MASTCAM med et 3:1 zoomobjektiv.
• SuperCam Remote Micro-Imager (RMI):Fjernbilledet med den højeste opløsning har farve, en ændring fra billedkameraet, der fløj med Curiositys ChemCam.
• CacheCam:Vil se, når stenprøver aflejres i roverens krop.
• Indgang, nedstignings- og landingskameraer:Seks kameraer vil optage indgangen, nedstignings- og landingsproces, leverer den første video af en faldskærmsåbning på en anden planet.
• Lander Vision System Camera:Vil bruge computersyn til at guide landingen, ved hjælp af en ny teknologi kaldet terrænrelativ navigation.
• SkyCam:En suite af vejrinstrumenter vil omfatte et kamera, der vender mod himlen, til at studere skyer og atmosfæren.

Alle disse kameraer vil blive indbygget, da Mars 2020-roveren bygges ved NASAs Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. De repræsenterer en stabil udvikling siden Pathfinder:efter den mission, Spirit og Opportunity rovere blev designet med 10 kameraer hver, herunder på deres landere; Mars Science Laboratorys Curiosity-rover har 17.

"Kamerateknologi bliver ved med at blive bedre, " sagde Justin Maki fra JPL, Mars 2020's billeddannende videnskabsmand og stedfortrædende hovedefterforsker af Mastcam-Z-instrumentet. "Hver successive mission er i stand til at udnytte disse forbedringer, med bedre ydeevne og lavere omkostninger."

Denne fordel repræsenterer en fuld cirkel af udvikling, fra NASA til den private sektor og tilbage. I 1980'erne, JPL udviklede aktive pixel-sensorer, der brugte mindre strøm end tidligere digitalkamerateknologi. Disse sensorer blev senere kommercialiseret af Photobit Corporation, grundlagt af tidligere JPL-forsker Eric Fossum, nu på Dartmouth College, Hannover, New Hampshire.

20/20 Vision

Kameraerne i 2020 vil omfatte mere farve- og 3-D-billeder end på Curiosity, sagde Jim Bell fra Arizona State University, Tempe, hovedefterforsker for 2020's Mastcam-Z. "Z" står for "zoom, " som vil blive føjet til en forbedret version af Curiosity's high-definition Mastcam, roverens hovedøjne.

Mastcam-Z's stereoskopiske kameraer kan understøtte flere 3D-billeder, som er ideelle til at undersøge geologiske træk og søge potentielle prøver på lange afstande. Funktioner som erosion og jordteksturer kan ses i længden af ​​en fodboldbane. Det er vigtigt at dokumentere detaljer som disse:De kan afsløre geologiske spor og tjene som "feltnoter" for at kontekstualisere prøver for fremtidige videnskabsmænd.

"Rutinemæssigt brug af 3D-billeder i høj opløsning kunne betale sig i stor stil, " sagde Bell. "De er nyttige til både langtrækkende og nærfelts videnskabelige mål."

Endelig, i farve

Ånden, Opportunity og Curiosity rovere blev alle designet med tekniske kameraer til planlægning af kørsel (Navcams) og undgåelse af farer (Hazcams). Disse producerede 1-megapixel billeder i sort/hvid.

På den nye rover, ingeniørkameraerne er blevet opgraderet til at opnå høj opløsning, 20 megapixel farvebilleder.

Deres linser vil også have et bredere synsfelt. Det er afgørende for 2020-missionen, som vil forsøge at maksimere den tid, der bruges på at lave videnskab og indsamle prøver.

"Vores tidligere Navcams kunne tage flere billeder og sy dem sammen, " sagde Colin McKinney fra JPL, produktleveringschef for de nye ingeniørkameraer. "Med det bredere synsfelt, vi får det samme perspektiv i ét skud."

Det betyder mindre tid brugt på panorering, tage billeder og sy. Kameraerne er også i stand til at reducere bevægelsessløring, så de kan tage billeder, mens roveren er på farten.

Et datalink til Mars

Der er en udfordring i al denne opgradering:Det betyder at sende flere data gennem rummet.

"Den begrænsende faktor i de fleste billedsystemer er telekommunikationsforbindelsen, " sagde Maki. "Kameraer er i stand til at indsamle meget mere data, end der kan sendes tilbage til Jorden."

For at løse det problem, rover-kameraer er blevet "smartere" med tiden - især med hensyn til kompression.

Om ånd og muligheder, kompressionen blev udført ved hjælp af den indbyggede computer; på nysgerrighed, meget af det blev gjort ved hjælp af elektronik indbygget i kameraet. Det giver mulighed for mere 3D-billeddannelse, farve, og endda højhastighedsvideo.

NASA er også blevet bedre til at bruge kredsende rumfartøjer som datarelæer. Dette koncept blev udviklet til rover-missioner med Spirit and Opportunity. Ideen om at bruge relæer startede som et eksperiment med NASAs Mars Odyssey orbiter, sagde Bell.

"Vi forventede at udføre den mission på kun snesevis af megabit hver Mars-dag, eller sol, " sagde han. "Da vi fik den første Odyssey-overflyvning, og vi havde omkring 100 megabit pr. sol, vi indså, at det var en helt ny boldkamp."

NASA planlægger at bruge eksisterende rumfartøjer, der allerede er i kredsløb om Mars - Mars Reconnaissance Orbiter, MAVEN, og Den Europæiske Rumorganisations Trace Gas Orbiter - som relæer til Mars 2020-missionen, som vil understøtte kameraerne i roverens første to år.