祝融号火星车科学探测模式设计与验证.pdf

Design and Verification of Scientific Exploration Mode of Zhurong Mars Rover(in Chinese).Chinese Journal of Space Science,2023,43(3):485-WANG Lianguo,ZHU Yan,ZHANG Baoming,SHEN Weihua,LI Xue,XUE Bin,LI Yuxi,XU Weiming,SUN Shuquan,CAI Zhiguo,WANG Wei.0254-6124/202343(3)-0485-14Chin.J.Space Sci.空间科学学报498.D0I:10.11728/cjss2023.03.20220022祝融号火星车科学探测模式设计与验证朱岩11王连国1张宝明沈卫华1李雪1 薛薛彬2李玉喜3徐卫明456孙树全蔡治国王蔚11(中国科学院国家空间科学中心北京100190)2中国科学院西安光学精密机械研究所西安710068)3(中国科学院空天信息创新研究院北京100190)4(中国科学院上海技术物理研究所上海200083)5中国科学院地质与地球物理研究所北京100029)6(北京遥测技术研究所北京100076)摘要受通信能力低、能源不足等限制，祝融号火星车有效载荷科学探测需提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据。祝融号火星车的巡视探测科学任务着眼于火星局部地区，包括火星车行驶时载荷探测和火星车停止时定点就位载荷探测两个主要工况。统筹考虑祝融号火星车移动能力、通信能力、能源能力、热控能力等约束，合理划分工程活动和科学探测活动可用的资源，协调使用火星车的杆和移动系统，优化组合各载荷工作模式，设计了高效载荷探测模式。该探测模式与基于工作模式表的自主探测控制方式相结合，解决了资源受限情况下的多载荷协同探测难题。祝融号火星车有效载荷系统圆满完成了预期探测任务，设计的科学探测模式全部得到在轨验证。结果表明这些模式设计合理有效，满足安全、自主、高效开展科学探测的需求。关键词祝融号火星车，有效载荷，科学探测模式，移动探测，就位探测中图分类号V446Design and Verification of Scientific ExplorationMode of Zhurong Mars RoverWANG LianguoZHU YanZHANG Baoming11SHEN WeihuaLI Xuel1LI Yuxi35XUE BinXUWeiming2.346SUN ShuquanCAI ZhiguoWANGWeil1(National Space Science Center,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)*国家航天局探月与航天工程中心首次火星探测项目资助2022-05-19收到原稿，2 0 2 2-0 8-2 4收到修定稿E-mail:The Author(s)2023.This is an open access article under the CC-BY 4.0 License(https:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/)2023,43(3486空间科学学报Chin.J.SpaceSci.2(Xian Institute of Optic and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Xian 710068)3(Aerospace Information Research Institute,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190)4(Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200083)5(Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100029)6(Beijing Research Institute of Telemetry,Beijing 100076)AbstractThe Zhurong Mars rover conducts high resolution in situ surveys in a critical area of Mars.The scientific payloads mounted on the rover include:Navigation and Terrain Camera(NaTeCam),Mul-tispectral Camera(MSCam),Mars Rover Penetrating Radar(RoPeR),Mars Surface Composition Detec-tor(MarSCoDe),Mars Rover Magnetometer(RoMAG)and Mars Climate Station(MCS).Their scientif-ic exploration tasks include studying topography and geological structure of the Mars roving area;sur-veying the soil structure(profile)of the Mars roving area and searching for water ice;surveying ele-ments,minerals,and rock types of the Mars roving area;and surveying the atmosphere physical charac-teristics and the surface environment of the Mars roving area.To obtain as much exploration data aspossible with limitations on low communication capability and insufficient energy,it is necessary to im-prove scientific exploration efficiency of the Zhurong Mars rover.There are two major operating condi-tions for the payloads,conducting roving exploration when the rover moves and in-situ exploration whenthe rover stops.Several high-efficiency payload exploration modes are developed for those two condi-tions.When designing the exploration modes,some aspects need to be considered.The first aspect ismyriad of constraints,including rover resources and safety,the Martian environment,telecommunica-tion,and the limitations of the software,hardware,and processes involved.The second,the rover is ashared resource:a variety of science and engineering activities must divide the available energy,time,and transmitted data volume,and must coordinate the use of the rovers mast and mobility systems.The third point is that each payload has multiple operating modes that must be optimized and com-bined.The exploration modes,working with autonomous control based on work mode command set,solved the problem of multiple payloads performing collaborative scientific exploration under resourceshortage conditions.The Zhurong Mars rover has successfully completed the scheduled exploration mis-sion.All scientific exploration modes have been verified.The results demonstrate that the explorationmodes are suitable and effective,and can meet the requirements for conducting safe,autonomous,andefficient scientific exploration.Key wordsZZhurong Mars rover,Payload,Scientific exploration process,Roving exploration,In situexploration0引言2021年5 月2 2 日，祝融号火星车行驶到火星表面，开展了环境感知、移动、科学探测等工作。火星车巡视探测科学任务着眼于在火星局部地区开展高精度科学探测，包括火星巡视区形貌和地质构造探测，火星巡视区土壤结构（剖面)探测和水冰探查，火星巡视区表面元素、矿物和岩石类型探测，以及火星巡视区大气物理特征与表面环境探测为了完成这些科学探测任务，祝融号火星车上配置的科学有效载荷包括导航地形相机、多光谱相机、火星车次表层探测雷达、火星表面成分探测仪、火星表面磁场探测仪和火星气象测量仪。导航地形相机获取沿途地形地貌数据，支持火星车路径规划和探测487王连国等：祝融号火星车科学探测模式设计与验证目标选择，用于开展形貌特征与地质构造研究；火星车次表层探测雷达获取地表以下分层结构数据，用于浅表层结构分析，探寻可能存在的地下水冰；火星气象测量仪获取气温、气压、风速、风向等气象数据，用于开展大气物理特征的研究；火星表面磁场探测仪获取局部磁场数据；火星表面成分探测仪、多光谱相机获取特定岩石、土壤等典型目标的光谱数据，用于元素和矿物组成等分析研究 2 。由于地球与火星距离遥远，通信速率低，延时大，火星车工作时无实时测控，同时能源受限，因此火星车有效载荷的科学探测必须在适应上述约束的前提下，提高探测效率，以有限资源获取尽可能多的有效探测数据，而且还要减少火星车与地面的交互，降低地面运控的复杂度。受条件约束，NASA的好奇号火星车大多数科学活动安排在火星上的白天进行，在前9 0 个火星日(Martianday，s o l)的任务早期阶段，地面运控团队与火星时间基本同步，夜间发送下一个白天的探测计划，白天火星车进行探测。由于火星探测具有探索未知的性质，因此根据有效载荷的灵活性以及火星车的能力，可能以多种方式开展探测任务。然而为了解如何在限制条件下优化科学操作，任务规划团队开发了一组示例火星日工作模型，并将其集成到任务场景中。此场景包含解决任务科学目标的典型科学探测活动，包括火星车行驶和使用的所有仪器 3。通过优化设计任务流程，好奇号火星车从2 0 1 2 年8 月6 日登陆火星至2 0 2 0 年8 月5 日，已工作2 8 44个火星日，收集了数十万张图像、数千个岩石和土壤目标的约一百万次光谱测量数据、数百万次环境测量数据，分析了33个钻孔岩石或挖掘的土壤样本。与好奇号类似，在9 0 个火星日寿命期内，祝融号火星车有效载荷探测也是在火星白天进行的。根据事前掌握的火星环境信息，考虑祝融号火星车的移动能力、通信能力、能源能力、热控能力，各种科学探测活动和工程活动必须划分可用的能源、时间和传输数据量，并且必须协调使用火星车的杆和移动系统。为此，设计了典型的火星车移动时载荷探测模式和火星车静止时载荷就位探测模式。在火星表面工作一段时间后，再根据资源条件优化这些探测模式，尽可能发挥火星车及有效载荷的潜力，探索一些拓展载荷探测模式，丰富科学成果。本文分析了祝融号火星车载荷探测面临的约束条件，根据祝融号火星车探测模式总体设计，阐述了祝融号火星车有效载荷的科学探测模式设计和在轨验证情况。设计的科学探测模式经过在轨验证，满足本次火星巡视探测任务需求，为中国后续深空探测任务火星车载荷探测提供了参考。1火星表面巡视探测任务约束火星表面巡视面临的主要困难是在火星表面复杂地貌和气象条件下，安全、自主、高效地开展移动和探测。巡视探测任务有以下三方面约束条件。(1）任务环境新，不确定性大。开展火星探测面临着各种新环境，例如火星稀薄大气、表面风场、全球尘暴、复杂形貌、剧烈变化热流、火星重力等，高低温(-1 2 3+2 7)交变环境直接影响火星车生存 5)。火星车上载荷要经历发射、地火转移、环火、着陆、火面巡视等阶段，需要适应力学、热、辐照、低气压等特殊环境，载荷设备需要解决白天低温条件下的工作问题，以及夜间极端低温下的存储问题。此外，有效载荷的传感器安装在火星车舱外，面临着火星沙尘的影响，需设计必要的防尘措施，并考虑被沙尘覆盖后的影响。(2）资源约束强，重量、能源和数据量约束非常苛刻。受火星弱光照、沙尘等影响，火星车能源并不充足，要尽可能减小设备功率，压缩设备工作时长，这要求载荷设备探测流程应紧凑、高效。火星车9 0 个火星日寿命期内，通过环绕器中继通信，每天仅有2 次器间通信窗口，能够下传有效载荷的数据量约为50Mbit。9 0 个火星日后，环绕器变轨到遥感轨道，每天仅有1 次通信窗口或者无通信窗口，下传数据量进一步减少 。因此，各设备要以尽可能少的数据支持科学探测任务，也要压缩上行指令和下行遥测参数。(3）自主能力需求高。火星与地球的距离在5700万至4亿千米之间变化，通信速率低（前向64kbitsl，返向2 0 48 kbitsl），时延大（6 44min）。火星车一般通过环火轨道的环绕器中继通信实现与地面的通信，而火星车开展巡视探测时，无中继通信弧段，即无法对火星车进行实时测控。因此针对通信能力有限的约束，要求火星车及有效载荷能够按规划的探测指令计划自主开展工作。4882023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报2祝融号火星车整体探测模式根据上述探测任务的约束条件，对于每个火星日的探测工作，均应按照总的科学探测任务安排，根据该火星日已知的约束条件进行规划。这些约束条件包括地球与火星的距离、地球与火星时间差、火星车行驶路径地形、通信窗口时间、下行链路数据传输能力、用于科学探测可用能源的时间分布、满足载荷工作温度的时间分布等。区别于传统的航天器控制，火星车不能事先在地面进行长周期规划，而基于“发令一等待执行效果下行一评估一发令”的模式效率低下，无法满足任务要求。火星车探测模式采用的策略为：地面一次规划、一次上行一个工作日的指令控制序列，火星车存储并按照设计的指令时间执行，期间没有任何地面监督和状态确认操作。后一个火星日的地面规划建立在前一个火星日规划成功执行且地面对火星车当前状态具备全面认知的基础上。指令序列规划管理火星车一整天的资源调度、科学探测、运动以及期间的器务事项。火星车任务规划是在满足多约束条件下，规划火星车在一个火星日内的移动、探测、感知、通信、太阳翼最优指向等行为计划和行为对应的控制参数，生成火星车行为序列，并最终输出一个火星日的完整指令控制序列和控制策略。考虑火星车自主能力和任务要求，任务规划需基于器上自主和地面规划，令二者独立或者联合，进一步优化扩展火星车行为，在确保安全的前提下，最大化科学探测目标 7。整体上，按照“七日一周期，一日一规划，每日有探测”的高效探测模式，开展火星车的移动模式探测和定点探测。为解决地火通信受限情况下复杂的载荷探测指令无法上行的问题以及载荷工作安全性问题，设计了基于简单指令的高效探测控制模式，地面仅需设定探测目标和模式，大量控制指令由器上自主调用器载工作模式表(指令库)完成。相对于传统指令模式，上行指令条数可大幅减少。为解决地火通信受限情况下的高效探测问题，采用移动与探测综合规划方式，减少器地交互次数，提高探测效率。传统的定点探测通常先移动到探测停泊点，再进行环境感知，经地面确认探测停泊点位置以及探测点位置后再进行探测，需要进行三次器地交互才能完成一个探测点的探测任务。提出的移动与探测综合规划方法的工作模式如图1 所示 6,探测前先进行环境感知，在StartsiteEnvironmentsensingIn-situexplore3Visual odometry1ExploreDetectradiussite3Stopsite3StopIn-situsite 1Visualodometry moveexplore 11Visual odometrymoveExploresitelStopsite2RExploresite 2SensingradiusIn-situexplore 2图1祝融号火星车高效探测工作模式Fig.1Efficient exploration mode of the Zhurong Mars rover489王连国等：祝融号火星车科学探测模式设计与验证10m范围内搜寻到关注点后，地面规划移动到探测停泊点路径，同时在探测停泊点对关注点进行探测规划，火星车按精准移动模式移动至探测停泊点位置，随后按既定规划开展载荷探测。如果希望探测多个关注点，则在第一个探测任务结束后，再按精准移动模式移动到下一个探测停泊点位置，随后按既定规划对下一个关注点进行载荷探测，往复迭代，直至完成最后一个关注点的载荷探测。火星车在每个火星日的典型探测流程如图2 所示。以第N个火星日为例(SolN),Sol N进行移动探测模式，导航地形相机对沿途地貌进行感知成像，次表层探测雷达、气象测量仪、表面磁场探测仪开机探测。探测数据和感知数据下传地面后，地面运控人员规划SolN+1的探测工作，如果发现沙丘、石块、撞击坑、泥火山等较高价值的科学探测目标，则SolN+1火星车继续按照移动探测模式工作，火星车抵近这些目标。SolN+1的探测数据和感知数据下传地面后，地面运控人员规划SolN+2的探测工作，即进行火星车静止时的定点就位探测。在SolN+2,载荷进行就位模式探测，即利用多光谱相机进行拍照，表面成分探测仪进行LIBS(Laser Induced BreakdownSpectroscopy)光谱采集、被动光谱采集、显微成像，获取目标的光谱数据，用于元素和矿物组成研究。同时，在就位探测时，气象测量仪、表面磁场探测仪也开机工作，获取该区域的磁场和气象参数。SolN+2探测数据和感知数据下传后，地面运控人员规划SolN+3的探测工作，可以选择再次对该处目标进行定点就位探测，也可以开始下一次移动模式探测。以此类推，实现“一日一规划，每日有探测”3有效载荷科学探测模式设计3.1各载荷工作模式与工作条件为完成火星车科学探测任务，火星车有效载荷设RovingIn-situREMcommand setexploreexploreISEM command setuploaduploadREM:RovingISEM:In-situexploremodeexploremodeRoverREMRover ISEMconfigureconfigureRover mast pan tiltRovermoverotatePayloadPayloadREMexploreISEM exploreRover mast pan tiltRover stopreturn tozero positionRoverenvironmentRoverenvironmentsensingsensingData analysis,nextExploredataday explorationExploredatadownloadschedulingdownload图2祝融号火星车典型探测流程Fig.2Zhurong Mars rover typical exploration process4902023,43(3)Chin.J.SpaceSci.空间科学学报置了多种工作模式，通过构建满足约束条件的工作模式组合，完成探测任务。各载荷单机的工作模式说明如下。导航地形相机。导航地形相机兼具用于火星车导航的工程相机和用于火星表面地形地貌勘查的科学探测载荷功能。导航地形相机具有自动曝光和手动曝光模式，通常使用自动曝光模式，相机加电后，设置自动曝光后成像，即可获取彩色图像。多光谱相机。拍照模式：相机通过调整滤光轮位置切换光谱通道，通过调焦寻找最佳焦面，获取单张图像数据。在轨定标模式：相机通过放置于火星车上的标准定标板实现在轨定标。火星车次表层探测雷达。雷达发射和接收信号，处理并产生探测数据。雷达探测模式设计了两种工作方式，分别为定时触发和定距离触发。定时触发方式根据指令设置的固定周期触发雷达进行探测。定距离触发方式根据火星车行驶速度和按指令设置的行进距离采样间隔要求，计算工作时的触发时刻，触发雷达进行探测火星表面成分探测仪。LIBS光谱采集模式：二维指向镜指向选定的目标点，启动聚焦机构对目标进行聚焦，然后发射高密度激光使得目标物质电离形成等离子体，用紫外-可见近红外光谱段对等离子体光谱进行采集，光谱采集结束后，启动显微相机对目标进行显微成像。被动短波红外光谱采集模式：二维指向镜指向选定的目标点，用短波红外光谱段接收目标反射的太阳光辐射，根据设定的光谱波段和波长范围进行光谱数据采集，显微相机也可根据需要进行成像。在轨定标模式：通过采集携带的标准样品光谱数据，对仪器进行标定火星表面磁场探测仪。正常采样模式：火星车静止时，设备加电即进入正常采样模式，连续对磁场进行测量。高采样率模式：正常观测时，如遇强太阳风暴爆发，自动切换或通过指令切换到高采样率模式。火星气象测量仪。常规测量模式：分为气温气压风场常规测量模式和声音常规测量模式。气温气压风场常规测量模式下，所有传感器每6 0 min测量1次，每次测量5 min，采样频率1 Hz。声音常规测量模式下，每6 0 min测量1 次，每次测量1 0 s采样率5kHz,放大倍数为1,声音压缩率为1 6：4。机动测量模式：由控制命令配置可以选择气温、气压、风速风向、声音等被测量，也可配置被测量的采样率、采样时间、放大倍数和数据压缩等参数。有效载荷工作时需满足一些约束条件，包括火星车运动状态，火星车位置、朝向，杆云台的位置等，如表1 所示。另外，还需满足工作时间、工作时长以及数据量约束。在火面工作期间，有效载荷科学探测活动的规划控制命令一般在夜间通过UHF器间（环绕器与火星车通信发送给火星车，有效载荷科学探测活动一般在下一个火星日的上午或中午进行，探测结果在下午通过器间UHF通信下传8。受火星车能源限制，有效载荷每日工作时间通常不超过1 0 0 min。每日产生的数据量不超过5 0 Mbit，每次移动模式探测的数据量能够满足这个约束，每次定点就位探测的数据量约1 8 5 Mbit，需分多日下传至地面。3.2有效载荷探测模式设计有效载荷探测模式设计的原则是在符合工作条件约束的前提下，对各载荷工作模式进行优化组合，使得探测结果能够满足探测任务需求。火星车行驶到火星表面后，开展环境感知、移动、科学探测等工作，有效载荷在火星上的典型探测模式列于表2。在释放分离阶段，第8 个火星日，火星车沿坡道机构从着陆平台行驶到火星表面过程中，采用探测模式1，即气象测量仪使用机动测量模式采集火星车驶离时产生的声音。在释放分离阶段，第11和1 4个火星日，火星车移动时，按照移动探测模式表1有效载荷工作条件约束矩阵Table1Constraint matrix of payload working condition火星车运动状态火星车位置、朝向火星车枪杆云台多光谱相机静止接近和朝向探测目标，距离目标大于1.5 m枪杆云台转动，使多光谱相机指向目标次表层探测雷达行驶无约束无约束表面成分探测仪静止接近和朝向探测目标，距离目标2 5 m，目标在其二维无约束指向镜指向范围内，太阳高度角不小于30 表面磁场探测仪静止无约束枪杆云台处于零位气象测量仪行驶和静止都可无约束杆云台处于零位491王连国等：祝融号火星车科学探测模式设计与验证表2有效载荷典型探测模式Table 2Payload typical exploration mode飞行对应飞行多光谱次表层表面成分磁场气象时长数据量阶段程序相机探测雷达探测仪探测仪测量仪释放第8 个火星XX机动测量模式根据火星车约1 2 Mbit（移分离日，探测模(声音）移动时间动1 0 m时）式1第1 1、1 4X定距离触X常规测量模式根据火星车约1 2 Mbit（移个火星日，发模式1（气温气压风移动时间动1 0 m时）移动模式场）火面科火星车移X定距离触X正常采样模式机动测量模式根据火星车约2 8 Mbit（移学探测动时，移动发模式（火星车移动结（气温气压风移动时间动2 0 m时）模式探测束后）场）火星车静对标定板和X3个LIBS标样在正常采样模式机动测量模式91 min185Mbit止时，探测前方2 个目标轨定标，2 个短波（气温气压风场(多光谱相机模式2 探测进行8 谱段拍标样在轨定标；对声音）图像1 1 4照2个目标进行Mbit,其他载LIBS光谱采集模荷约7 1 Mbit)式、显微成像、被动短波红外光谱采集模式火星车静XXX正常采样模式机动测量模式82min约5 Mbit止时，探测（气温气压风场模式3探测声音）注表示该载荷不工作。工作，即次表层探测雷达按照定距离触发进行探测，气象测量仪进行气温、气压、风速、风向测量。火面科学探测阶段是有效载荷的主要工作阶段，火星车移动时，按照移动探测模式工作，次表层探测雷达按照定距离触发进行探测，气象测量仪进行气温、气压、风速、风向测量，火星车移动停止后，表面磁场探测仪进行磁场探测。火星车静止时，主要按照探测模式2开展定点就位探测，多光谱相机进行定标板拍照和探测目标拍照，表面成分探测仪进行定标、LIBS光谱采集、被动光谱采集、显微成像，表面磁场探测仪进行磁场探测，气象测量仪进行气温、气压、风速、风向测量和声音采集。另外还有一种工作模式，在火星车静止时，按照探测模式3进行磁场探测和气温、气压、风速、风向、声音测量。由于地火数传能力限制，多光谱相机图像主要采用开窗和缩略图下传的方式，每个窗口和每个缩略图的数据量均为1 Mbit。探测模式2 中，多光谱相机标定板8 谱段拍照，每幅图开2 个窗，对前方2 个目标8谱段拍照，每幅图开6 个窗，2 个目标的谱段1 使用缩略图下传，每次探测总的图像数量为，定标图像82开窗+目标1 图像8 6 开窗+目标2 图像86开窗+目标1 图像1 1 缩略图+目标2 图像11缩略图，共计1 1 4幅图（1 1 4Mbit）。探测模式2中，除多光谱相机图像外，其他载荷数据量约为71 Mbit。传统的载荷探测控制方式基于实时指令、延时指令以及指令序列、事件表等，这些控制方式需要较多的测控资源，不能适应火星探测通信速率低，延迟大，无实时测控等复杂工况。为解决该难题，采用面向深空载荷探测的高效自主运行与管理技术，采用基于工作模式表的控制方式，自主控制多个有效载荷协同工作，完成不同科学探测任务 9。火星车自主按照上注指令计划开展工作时，火星车平台主要由数管SMU控制，有效载荷自主科学探测主要由载荷控制器使用工作模式表控制。使用工作模式表的控制方式，对于原本需要约1 8 0 条载荷工作指令的探测模式2，只需6条模式表启动指令即可完成，极大减少了飞控工作量和器地交互数据量。在发射前，将典型的工作模式表存储在载荷控制器的FLASH中。在轨时，通过指令触发模式表工作。如果需要更新模式表，由地面上注新的模式表，载荷控制器按照新的工作模式表运行；如果需将上注4922023,43(3)空间科学学报Chin.J.Space Sci.的模式表存储，则通过指令将上注的模式表写人载荷控制器的FLASH中。设计寿命期内使用的模式表列于表3。其中，模式表0 暂未使用，后续有需求时可以使用。模式表4和5 分别用于地火转移自检和释放分离自检，后续在火面巡视探测阶段不使用，可以更改为其他用途。火星车定点就位探测使用探测模式2，多光谱相机、表面成分探测仪、表面磁场探测仪、气象测量仪开机工作。探测模式2 是一个优化组合的探测模式，通过使用工作模式表控制多载荷协同工作，提高了探测效率。其执行流程如图3所示，载荷控制器加电后启动工作模式表，通过工作模式表控制各载荷工作。各载荷具体工作流程如下。表3设计寿命期内使用的模式表Table 3Working mode table used duringthe nominal mission period模式表应用的名称说明执行时长探测模式模式表0空表暂未使用模式表1气象测量仪探测5 min 15 s移动模式模式表2 气象测量仪和磁场测量仪探测81 min探测模式2、3模式表3雷达探测状态设置22s移动模式模式表4地火转移自检16min35s地火转移自检模式表5释放分离自检17min29s释放分离自检模式表6多光谱相机定标7 min 10 s探测模式2模式表7表面成分探测仪定标39 min 47 s探测模式2模式表8多光谱相机探测6 min探测模式2模式表9表面成分探测仪探测29 min 50 s探测模式2Exploremode2configureTOPLC8 min 20 spoweronMastpantiltrotatel9min20s9 min 30 s9 min 40 sRoMAGpoweronRun WMCS 6MCS poweron9min50 sMSCamcalibrateRun WMCS 7Mast16 min 30 sMarSCoDpancalibratetilt rotatelRun WMCS 820 min 30 s49min 27 sMSCam target 1Run WMCS 2Mastimaging26 min 30 s(RoMAG andpanMCS detect)54min35stilt rotatelRun WMCS 830 min 30 sMSCam target 2RunWMCS9imaging36 min 30 sMarSCoDdetectMCS poweroff59 min 30 sRoMAG1 h 24 min1 h30min30spoweroff25sPLCconfigure1 h30 min 40 sbefore power offWMCS:Work mode command setMSCam:Multispectral CameraPayload data1 h 30 min 45 sMarSCoDe:Mars Surface Composition DetectortransferRoMAG:Mars Rover MagnetometerMCS:Mars Climate StationPLC:Payload ControllerPLC power off1 h31 min10 sExploremode21 h32 min 10 sEnd图3探测模式2 流程Fig.3Process of exploration mode 2493王连国等：祝融号测模式设计与验证杆云台转动，指向位于火星车车体后部的多光谱相机标定板，多光谱相机使用指令设置调焦参数、曝光方式，对标定板进行8 谱段拍照；然后，杆云台指向地面运控团队选择的位于火星车前方的拍照目标1，多光谱相机使用自动调焦、曝光方式，对目标1进行8 谱段拍照；之后，枪杆云台指向地面运控团队选择的位于火星车前方的拍照目标2，多光谱相机使用自动调焦、曝光方式，对目标2 进行8 谱段拍照。表面成分探测仪在工作前先进行热控，热控结束后，完成定标。定标包括对位于火星车车体后部LIBS定标板的2 个或3个标样分别进行LIBS光谱采集、被动光谱采集、显微成像，对位于火星车车体前部短波定标板的2 个标样分别进行短波光谱采集。定标结束后，表面成分探测仪对地面运控团队选择的位于火星车前方的探测目标点1 和2 分别进行LIBS光谱采集、被动光谱采集、显微成像和短波光谱采集。表面磁场探测仪在加电后，按照正常采样模式进行磁场探测。气象测量仪加电后，先进行测量参数设置，然后使用机动测量模式测量气温、气压、风场及声音。火星车上配置的载荷具有多种功能和工作模式，除表2 中的典型探测模式外，还设计了一些拓展探测模式。通过拓展探测模式，可进一步发挥仪器设备的能力。同时，由于火星探测的未知性，还可以构建发射前未设计的探测模式和流程，以应对探测过程出现的意外科学探测机遇。火星车有效载荷设计的拓展探测模式说明如下。表面成分探测仪的常规探测模式是单点位置光谱探测，重点分析巡视探测区域的化学元素组成和岩石类型，平均每个探测周期内共获取2 个探测对象的单点探测。单点位置光谱探测进行6 0 次LIBS光谱探测，1 次短波红外光谱探测（1 5 0 个波段），1 次显微成像。表面成分探测仪的拓展探测模式是进行深度剖面光谱探测和光谱扫描探测。深度剖面光谱探测重点是对火星岩石1 0 5 0 0 m表层以内元素的纵向异性特征和结构进行研究。深度剖面光谱探测对同一个探测对象进行2 0 0 组（每组5 0 次）LIBS光谱探测，2 0 0 次短波红外光谱探测（1 5 0 个波段），第一组和最后一组探测获取显微图像。光谱扫描探测主要目标是研究化学元素的横向异性特征和岩石的层状特征，包括线性扫描方式和矩阵扫描方式两种。线性扫描探测按照1 0 个扫描点计算，每个扫描点采用单点位置光谱探测的方式，共获取1 0 组探测数据。矩阵扫描探测按照33个扫描点计算，每个扫描点采用单点位置光谱探测的方式，共获取9 组探测数据。表面磁场探测仪的常规探测模式在每个火星日日间工作不超过8 1 min，可拓展进行探测日变化的探测模式。为获取一个火星日火星表面磁场活动的连续数据，可在火星时1 0:0 0 一1 4:0 0 期间每6 0 min探测1 次，其余时间每1 2 0 min探测1 次，采样频率1Hz,每次至少连续工作1 5 min。气象测量仪的常规探测模式在每个火星日日间工作不超过5 0 min，也可拓展进行探测日变化的探测模式。为获取一个火星日气温、气压、风场等探测数据，每6 0 min开机1 次，采样频率1 Hz，每次探测5min。4在轨验证2021年5 月1 5 日火星车成功着陆火星后，在释放分离阶段的5 月2 2 日进行了探测1 测试。在5 月25日和2 8 日火星车移动时，进行了移动模式测试。在火面科学探测阶段，6 月4日首次开展了探测2 测试。之后，按照“七日一周期，一日一规划，每日有探测”的高效探测模式，开展了火星车移动时的移动模式探测和火星车静止时的定点（探测2 或探测3)探测。在探测阶段前期，主要进行火星车移动探测，7 日中约6 日进行移动探测，1 日进行定点就位探测。截至2 0 2 1 年8 月1 5 日，火星车在火星表面运行90个火星日（约9 2