2022年3月7日,中国天问一号环绕器的HiRIC高分相机拍摄到的美国毅力号火星车,此时位毅力号正位于着陆点东南方向约200米。

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3月11日,NASA火星轨道勘测器HiRISE高分相机拍摄到的中国天问一号着陆区以及祝融号火星车,此时祝融号已向南行驶约1.7公里

中美航天器互拍:技术到底哪家强?

这是一个非常有趣的话题,大家总是喜欢将中美航天器放在一起比对,凭良心说,NASA的探测器已经浸淫多年,天问一号只是第一次探测火星,两者有差距也是很正常的,但每次两个探测器同时出现时免不了做一番对比,就凭发布的照片而言,到底哪家更强一些呢?

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对比两张照片,各位一定发现了好几个问题,笔者简单列出了如下几点,不知各位想到的有没有包含在内:

  • 1、为何天问一号着陆点有一个向两侧喷射状的痕迹,而毅力号却没有?
  • 2、为何天问一号拍摄的是黑白照,而NASA发布的却是彩色照片?
  • 3、天问一号和NASA的探测器拍摄的,到底哪家分辨率更强?

就目前而言,种花家发现了三个问题,各位如果有更多的发现可以留言或者发私信给我,在种花家认知范围内,一定给予回答。

  • 天问一号为何有很重的喷射痕迹?

有朋友可能认为天问一号是火箭助推着陆的,而毅力号则不是用这种方式,因此天问一号会在着陆时留下制动火箭发动机喷射出的气流给火星“打扫”为生的情况,事实上这话说对了一半。天问一号确实是火箭着陆制动的,其降落大致过程如下:

天问一号是2月10日成功制动进入火星轨道,5月14日执行火星登陆程序,着陆器与轨道器分离后制动,然后高速进入火星大气层,之后则在超音速下打开降落伞,最后降落伞脱离,打开制动火箭,悬停选择着陆地,最后稳稳落地。

从悬停到落地,可变推力制动火箭一直会在启动状态,只有等落地后才会关机,因此喷出的强大气流会将周围的火星尘土扬起,并呈放射性,这就是天问一号落下后的造成如此明显痕迹的原因。

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毅力号其实过程和天问一号非常相似,只有最后一步不一样,它是悬吊型落地,也就是说制动火箭就像一个吊车一样,然后下垂缆绳将其放置于火星地表,这个状态下制动火箭距离火星地表比较高,因此也产生了喷射效果,但没有天问一号的着陆器那么明显。

  • 为何天问一号的是黑白色,NASA的是彩色照片?

给毅力号拍照的可不是祝融,它们相距还很远,而是天问一号的轨道器,与祝融号一个在火星轨道上,一个在火星地表,配合天衣无缝,之所以这个配置也是因为中国之前在火星轨道上并没有探测器,而美国则有多个探测器,因此毅力号直接就是一辆火星车。

火星轨道上的探测器

给天问一号的着陆器与祝融火星车拍照的则是NASA的火星勘测轨道飞行器(Mars Reconnaissance Orbiter,MRO),这是NASA在2005年8月12日发射,次年3月10日入轨的火星轨道探测器。

天问一号的相机拍摄的毅力号着陆地“黑白照”,但这个叫法其实并不准确,应该称其为全色照,而MRO拍摄的则是多光谱,两者的区别很简单:

  • 全色:传感器获取整个全色波段(0.5微米到0.75微米左右的单波段)的黑白图像
  • 多光谱:传感器对地物辐射中多个单波段的摄取得到的包含多个波段的光谱信息的图像,对各个不同的波段分别赋予RGB颜色将得到彩色图像。

全色的波段波长范围长于多光谱的,因此它的光谱分辨率较低,但它的空间分辨率更高,也就是说如果要分辨目标细节,那么用全色黑白图像,假如要更丰富的目标色彩照,那么用多光谱。

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不过全色也可以合成彩色照,因为全色获取的是多个波段的黑白照片,通过对应的波段通道将其导入合成一张彩色照片,那么就成了一张想要的“彩照”,两者互有优势,全色合成的细节更好,多光谱的图像色彩更艳丽。

因此各位要说中国的天问一号轨道器只能拍黑白照是错误的!目前光学对地观测卫星都能拍摄全色和多光谱照片,因此天问一号同样可以拍摄多光谱的火星表面照片,只是目前公布的比较少,另外MRO的全色照片如下:

MRO在2022年2月26日拍摄的毅力号(在黄色圆圈中)

  • 为何中国分辨率不如美国的高?

这个问题大家应该是发现了,天问一号拍摄的图片有比例尺,不过看不清毅力号,因此分辨率估计大家也能估个八九不离十,而MRO拍摄的照片尽管没有比例尺,但能看到天问一号着陆器和祝融号火星车,而且从尺寸上比较,天问一号的祝融火星车和毅力号其实差了不大,主要是祝融火星车用的是太阳能电池,在尺寸上还略微占优一些。

从发布图片的分辨率来看,NASA的MRO拍摄的照片要比天问一号轨道器要高很多,从查询到的参数来看,MRO的相机是HiRISE,这是一个口径为0.5米的反射望远镜,分辨率为1微弧度,换算成火星表面分辨率为0.3米(高度为300千米),其分辨率相当高,不过据公布的资料来看,拍摄天问一号位置的区域分辨率为0.7米。

MRO的相机镜头

我国天问一号轨道器携带的相机为HiRIC,这是轨道器的主要载荷之一,因为获取火星表面关键区域的详细观测图像是本次任务的主要目标,使用的是一台口径为390毫米、离轴三镜散光 (TMA) 光学系统,焦距为4640 mm,焦比F12的望远镜,其在全色模式下分辨率为0.5米(高度为256千米)。

中间黑洞洞的圈圈就是HiRIC相机

从技术参数而言,天问一号的HiRIC相机只比MRO的差一点点,但差距非常有限,考虑到NASA的MRO是2005年的技术,NASA的技术确实比较好,为了火星的地形图,发射了一颗带着深空任务最大口径望远镜去火星,也是服了!

天问一号HiRIC相机的光路结构

那为何两者的差距会那么大呢?原因估计有很多朋友已经想明白了,因为拍摄高度不一样!比如MRO最初的轨道为426 × 44,500千米,后来经过几次特殊任务和特殊轨道后,目前轨道是250 x 316千米(轨道倾角为93°)的永久太阳同步轨道,轨道大致呈圆形。

MRO的轨道

这种轨道比较适合对地观测,气象卫星、地球资源卫星和照相侦察卫星一般都取太阳同步轨道,拍摄地面目标的图像最好,而MRO观测的正是火星地表,因此这个轨道很明显是为其设计的。

而天问一号的轨道和MRO完全不一样,其轨道参数为275 x 10749千米,轨道倾角86.3°,这个轨道有一个远火点和近火点,如果其在275千米的高度使用HiRIC拍摄,那么能达到最高分辨率0.5米左右,但如果到远火点拍摄,那就很抱歉了,最高分辨率估计得以千米计了。

天问一号轨道器拍摄毅力号的时候可能并不是轨道的最低点,此时的分辨率下降也就比较自然了,但不知道各位是否有注意到一个原因,天问一号轨道器公布的毅力号照片是视频的截图,这才是造成两者问题的最关键。

结论也就很明显了,天问一号的轨道器相机和MRO相比确实有些差距,但相差非常小,但这不是最关键的,主要还是我国官方公布照片的问题,希望下次官方能多公布一些照片,最好能像NASA官网一样可以翻到所有照片。

延伸阅读:祝融号休眠了,时间约半年

据新华社报道,国家航天局公布的最新消息,祝融号火星车巡视区已进入冬季,天气白天最高气温降至零下20摄氏度以下,夜间最低气温降至零下100摄氏度,到7月中旬火星冬至前后,气温还会进一步下降。

为应对沙尘天气导致的太阳翼发电能力降低及冬季极低的环境温度,按照设计方案和飞控策略,祝融号火星车5月18日转入休眠模式。预计今年12月前后,祝融号火星车巡视区将进入初春季节,环境条件好转后,将恢复正常工作。(完)