“毅力”号火星漫游者采用了抗辐射技术。这就是关键所在。

2019年5月12日,美国国家航空航天局(NASA)的好奇号火星车在火星上拍摄了57张照片。(图片来源:美国国家航空航天局/加利福尼亚理工学院/多维空间声系统)

想想你的电脑在地球上崩溃的情景。现在想象一下,在火星上执行漫游者任务时,同样多么具有挑战性。

自2012年8月登陆火星以来,“好奇号”探测车时不时会进入“安全模式”,以处理故障和软件问题。但每次任务都恢复正常,继续史诗般的攀登火星山峰,寻找宜居环境。

从安全模式事故中吸取的所有“教训”现在都被嵌入了新的“毅力”漫游者,它是“好奇号”更强大的表亲,并开始在火星上转动。

从故障中恢复需要技术技巧,尤其是在火星尘土飞扬、辐射覆盖的表面。在许多情况下,辐射和电路交叉导致混乱的局面。在火星上是不允许发生的,因为“毅力号”上的电路控制着从相机到激光的一切,以及复杂的系统,该系统将为未来的采样返回任务缓存可能适合居住的岩石样本。

那么解决方案是什么呢?Xilinx是一家为毅力号的几台仪器提供集成电路的公司,自2004年美国宇航局的机遇号和勇气号探测器以来,该公司就在火星上拥有了技术。Xilinx不能泄露它所有的保持电路安全的“秘密武器”——它是专有的——但其中很多都归结于适当的屏蔽和备份。

“我们打造的是硬度,”Xilinx(赛灵思公司)的航空航天和国防市场直营总监米纳尔·萨旺特(Minal萨旺特)在谈到该公司保持电路抗辐射的方法时说。萨旺特指出,一些机密卫星也在近地辐射带的恶劣环境中长期使用了Xilinx电路,因此Xilinx在地球轨道和火星上亲身经历了辐射,并知道如何应对辐射。

在“毅力”号上,电路是“三模块冗余”的,这意味着Xilinx要为探测器上的一个仪器或一个摄像头生产出三个电路副本。“如果一个电路被击中,其他两个仍能工作。这样才能确保它变硬,”元荣说。

每造出一代探测车,工作就变得越来越困难,因为线路密度越来越大。这是因为每个月球车的任务是收集并向地球传输比以往任务更多的信息。“随着我们的创新越来越多,密度也越来越高,”萨旺特解释说。

每一代探测车都有更多可能的故障点。例如,“勇气号”和“机遇号”各自只携带了9个摄像头;毅力有23个。工具和任务也变得越来越复杂。然而,值得注意的是,Xilinx的电路经受了时间的考验。

“勇气号”和“机遇号”本应在火星上持续90个地球日,但每个地球日都持续了好几年。携带Xilinx产品的“好奇号”在2012年着陆后执行了为期两年的主要任务,但在火星上生活了近7年后,它仍在强劲发展。鉴于这一记录,萨旺特希望“毅力”号也能存活很长一段时间。

美国国家航空航天局(NASA)的好奇号火星车在火星上拍摄了57张照片。(图片来源:美国国家航空航天局/加利福尼亚理工学院/多维空间声系统)

使集成电路响应更灵敏的一种方法是设计成易于调节的。我们知道了在电脑上应用软件更新的价值,在火星上对漫游者则有相当明显的作用。例如,在“好奇号”上,2016年的一项软件更新让该探测器在激光撷取目标时更加自主。Xilinx能为其集成电路提供类似的灵活性。

“我们制造的这些芯片是可配置的,”萨旺特说。“设计师或用户可以将特定的算法或设计放入其中,然后实现功能。它不是一个固定的功能,更倾向一个可编程的功能,一种根据需要进行改变的能力。”

Xilinx的系统已经通过了“毅力”号的强大测试。这些电路被用于“毅力”号着陆系统的“视觉计算”元件,使其能够选择在火星上降落的正确地点。具体来说,Xilinx产品处理图像过滤、检测和匹配等视觉任务。着陆的另一个关键部分涉及“毅力”号的距离和速度测量,使用的是由Xilinx技术提供动力的雷达终端下降传感器。

萨旺特指出,尽管这些着陆系统不会在地面上运行数年或更久,但它们必须经历几个月的旅行,经历发射时的震动、太空中极冷和极热的环境以及太空辐射。

Xilinx公司的集成电路被用于“毅力”号上的四种仪器,它们的设计都能经受长期的火星辐射。这些仪器是行星x射线岩石化学仪器(PIXL),用于识别化学元素;用于中继电信的超高频收发机;用于拍摄海面全景照片的毅力号桅杆相机,以及用拉曼和发光技术扫描可居住环境的有机物和化学物质(SHERLOC),该技术对矿物、有机分子和潜在生命迹象进行精细探测。

Xilinx电路在NASA的小行星“贝努”的奥里西斯-雷克斯(起源、光谱解释、资源识别、安全-风化层、探索者)任务中也运行良好,该任务自2016年以来一直在太空中,直到2023年才会带着样本返回地球。Xilinx计划在NASA的木卫二快船任务发射中运用该技术,以环绕这颗冰冷的木星卫星,在计划2024年发射后,则需要6年的太空巡航时间。

Xilinx是为“毅力”漫游者的系统和仪器提供动力的合作公司之一。另一个是与芬兰气象研究所(FMI)合作的维萨拉。这次他们为火星车上由西班牙领导的火星环境动力学分析仪提供了传感器。火星环境动力学分析仪是一个红色星球气象站,用于检测温度、风速和风向、相对湿度和灰尘颗粒等。这个小组也意识到火星任务的挑战性。

FMI行星研究和空间技术小组负责人玛丽亚·健择(MariaGenzer)在一份声明中表示:“火星车的设备需适应火星的恶劣环境来运行,极低压,极低温度,而且必须能够抵御意外的全球沙尘暴。”“除了环境因素,火星和地球之间的距离也使这项任务具有挑战性。如果出了问题,没有人来修理仪器。”

至于Xilinx,其最新一代集成电路将于2020年5月发布,它不仅能抵抗绕地球多个轨道或执行太阳系任务时的辐射,还将包括一个机器学习生态系统。机器学习(人工智能的一个方面)使计算机能够从数据集中学习,并应用这些信息做出决定。

萨旺特说,例如,一颗绕地卫星可以丢弃包括云在内的光学图像,只在清晰的条件下发送图像。推而论之,机器学习已经在火星上用于识别新的陨石坑等应用