祝融号火星车首批科学影像图发布，天问一号祝融车一展真容，你有哪些感想和祝福？

2021年5月22日10:40，天问一号着陆后的第7天，我国首个火星车“祝融号”缓缓驶离着陆平台，踏上火星乌托邦平原表面，行驶了0.522米。

这短短一小段路程，标志着我国正式成为继美国之后第二个实现火星巡视的国家（详见：天问一号，着陆火星！），也标志着天问一号成为人类首个在一次任务中实现“绕、着、巡”三大目标的火星探测任务。

开胃小菜之后，2021年6月11日，国家航天局公布了祝融号火星车拍摄的一系列“火星大片”，其中不仅有火星车拍摄的着陆平台：

还有最具里程碑意义的“着巡两器合影”——火星车通过自己车底分离出的相机，拍摄了自己和着陆平台的同框照。再一次，中国航天创造了属于自己的地外星球探索史诗时刻。

上一次，是2019年1月11日，玉兔二号月球车与嫦娥四号着陆器的两器互拍，月球车的全景相机拍摄了嫦娥四号着陆器，着陆器的地形地貌相机拍摄了月球车▼

上上一次，是2013年12月15日，玉兔号月球车与嫦娥三号着陆器的两器互拍▼

相比于曾经的两器互拍，这次的两器合影解锁了新机位，也更加有创意，可以说是越来越会自拍啦～

事实上，玉兔二号月球车至今还在月球上健康工作着，这也意味着我国是当今世界唯一一个同时在两颗地外星球上拥有工作中的巡视器的国家。

中国深空探测史上的新时代，已然开启。

从踏上火星表面的那一刻，祝融号就正式开始了火星巡视探测，而在火星上空飞行的天问一号环绕器，也会在为火星车中继数据之余开展火星遥感探测。

它们会开展哪些科学探测，有哪些科学发现，是由它们携带的科学探测仪器决定的。

在前几期介绍了天问一号的准备工作、发射和着陆之后，这期将全面介绍一下天问一号和祝融号带了哪些“装备”（科学仪器），以及它们的科学探测目标。

整体

天问一号总重约5吨，由环绕器和着陆巡视组合体两部分组成，着陆巡视组合体包括着陆平台和火星车祝融号两部分，两者都打包装在气动外罩内。环绕器重约3175千克，着陆器重约1585千克，火星车祝融号重约240千克。

防止有些读者看晕，这里再多说一句：环绕器、着陆平台和火星车，都是天问一号的成员，只是“天问一号的火星车”这个成员自己还另外有个名字叫“祝融号”，就像“嫦娥四号的中继星”另外有个名字叫“鹊桥号”，“嫦娥四号的月球车”另外有个名字叫“玉兔二号”一样。

天问一号的气动外罩和着陆平台只负责进入火星大气层、下降和着陆（EDL），没有携带科学仪器。环绕器携带7种科学仪器。火星车携带6种科学仪器 [1, 2]。

注意，这里说的都是“科学”仪器，事实上探测器还会携带诸多工程仪器，例如避障相机、监视相机、星敏感器、惯导装置等等。开头火星车驶离着陆平台的照片，就是工程仪器（避障相机）拍摄的。

火星车计划开展约90个火星日的巡视探测，在此期间，环绕器会停留在通讯中继轨道（近火点265公里、远火点12500公里，周期约8个小时）[2]，为火星车和地球传递信息和数据。

之后，环绕器会降轨至科学探测轨道（近火点265公里、远火点12000公里），计划在这个轨道上对火星全球展开1个火星年（约2个地球年）的近距离遥感探测 [2]，同时可以兼顾火星车的数据通讯。

环绕器的科学仪器

环绕器共携带了7种科学仪器：① 中分辨率相机（MoRIC）、② 高分辨率相机（HiRIC）、③ 矿物光谱分析仪（MMS）、④ 次表层探测雷达（MOSIR）、⑤ 磁强计（MOMAG）、⑥ 离子与中性粒子分析仪（MINPA）和 ⑦ 能量粒子分析仪（MEPA）。

1 & 2、中分辨率相机（MoRIC）和 高分辨率相机（HiRIC）

天问一号环绕器共携带了两个光学相机：① 中分辨率相机（优于100米/像素@400千米高度）和 ② 高分辨率相机（局部分辨率优于0.5米/像素@265千米高度），中分辨率相机可以拍摄彩色照片，高分辨率相机可以拍摄全色（黑白）和彩色照片。

光学相机是诸多深空探测器的标配，我们看到的许多火星美图，都是火星勘测轨道飞行器（MRO）、火星快车、火星全球探勘者号（MGS）等探测器的相机拍摄的。

天问一号环绕器搭载了两种不同分辨率的相机，这是目前国内外环绕器所常用的配置方式。因为对环绕器来说，拍摄更高清的照片和一次性拍摄更大一片区域难以同时满足：分辨率高的相机视野小，分辨率低的相机视野大。以天问一号为例，环绕器的中分辨率相机一张照片可以拍到400千米宽的区域，而高分辨率相机一张照片只能拍出9千米宽的区域。（这个问题我们前几期详细讲过：2月到火星，5月才准备着陆，天问一号到底在“墨迹”啥？）

通用的解决方法就是探测器同时携带两个不同分辨率的相机一起工作：用中分辨率相机来快速获得大视野内的整体情况，寻找值得进一步仔细探测的区域；用高分辨率相机专注于拍摄某一小块想要重点观测区域的细节。

目前火星拍照的主力探测器之一火星勘测轨道飞行器（MRO）就是采样用了这种双分辨率相机协同工作的配置：中分辨率相机（CTX）分辨率6米/像素，图幅30千米宽，高分辨率相机（HiRISE）分辨率0.3-0.5米/像素，图幅6千米宽（@ 300千米高）——后者也是天问一号之前唯一能拍摄优于米级分辨率火星影像的相机。

不止火星探测器，大名鼎鼎的月球勘测轨道飞行器（LRO）的宽角（WAC）和窄角（NAC）相机、卡西尼号的宽角（WAC）和窄角（NAC）相机均采用类似的策略。

这是天问一号环绕器中分辨率相机拍摄的火星北极区域▼

这是天问一号环绕器高分辨率相机拍摄的火星表面，分辨率达0.7米/像素（@ 330-350千米高度），与目前最高清的HiRISE相机分辨率达同一量级▼

环绕器的高分相机还拍到了着陆平台、祝融号火星车和着陆组件在火星上的照片，几米大小的组件也能尽收眼底。

由于高分辨率相机的图幅限制，目前火星优于米级的高分辨率影像覆盖率还非常有限。天问一号高分辨率相机的加入，有望让我们看到火星更多区域的高清照片。

3、火星矿物光谱分析仪（MMS）

“光谱”探测是一种常用的遥感探测手段。不同物质反射/辐射光的特征是不同的，结果就是含有某种物质的反射/辐射光谱图像在某些特定的波段会表现出明显的吸收/辐射带。这是科学家们在不能亲身前往的外太空里寻找某种物质时搜寻的“指纹”。

无论是环绕器搭载的光谱仪还是巡视器（火星车）搭载的光谱仪，本质来说都是通过观测目标区域反射/辐射光谱中的特征，来探测星球表面含有哪些矿物，分布是什么样的——区别只是不同光谱仪的探测频段和分辨率有所差异，可能探测到的物质成分也就相应有所差异。

天问一号环绕器携带的矿物光谱仪探测频段在可见光到中红外范围（0.45-3.4 μm），这个波段的光谱仪在火星环绕器上也比较常见，例如火星快车上搭载的OMEGA成像光谱仪（0.5 - 5.2 μm）、火星勘测轨道飞行器（MRO）搭载的CRISM成像光谱仪（0.36 - 3.92 μm）也都覆盖了相似的波段范围。

这个波段内可能探测到多种形式的水以及与水有关的矿物，例如：诸多水合矿物（富铁、镁、铝的层状硅酸盐等）的反射光谱在1.4、1.9、2.2、2.3、2.4 μm处有有V型特征吸收带；水冰的反射光谱在1.3、1.5、2.0和3.2 μm处有V型特征吸收带，之前介绍过的科学家们在火星中纬区域发现的水冰（《科学》杂志||未来的火星移民：凿冰饮水，指日可待？），在月球南北极发现的水冰（实锤了，我们的月球真的是颗“水冰月”！），都是借助这种光谱特征发现的。当然，其他在这一范围内有吸收特征的物质也有可能被探测到。

这是OMEGA成像光谱仪和CRISM成像光谱仪在火星表面探测到的水合矿物分布，天问一号也可能探测到这类矿物。这些矿物的含量和分布可以帮助我们追溯火星的地质演化历史和水环境变迁。

4、次表层探测雷达（MOSIR）

不同物质的介电常数（可以简单理解为让电磁波衰减的能力）不同，因此探测器收到的从不同物质分界面反射回来的电磁波的时间和强度就会不同。次表层雷达的探测原理就是通过发射和接收电磁波信号，借助测量到的雷达信号接收时间和反射强度，反推这些雷达信号穿过了哪些不同的物质，每层物质有多厚。

对火星来说，次表层雷达尤其可以用来探测地表下的水冰层、冰层下的液态水这类有着迥异介电常数的物质分层，也在过去2艘火星环绕器上有过成功的应用：火星快车号的雷达MARSIS和火星勘测轨道飞行器（MRO）的雷达SHARAD都取得过重要科学成果。

我们2018年介绍过的火星南极冰层之下发现的疑似液态水湖，就是借助火星快车号搭载的次表层雷达发现的（这一次，我们在火星找到了冰下湖？）。

天问一号的环绕器的次表层雷达共包含5根天线：4根5米长的主天线安装在飞行方向的底部，构成两组正交偶极天线组；1根1.2米长的单级甚低频接收天线（VLF）位于飞行个方向的侧边 [7]。4根雷达天线的正交分布方式与已有的火星快车号MARSIS雷达和火星勘测轨道飞行器（MRO）的SHARAD雷达都不同。甚低频射电接收天线（VLF）虽然和雷达天线一体化设计，但主要服务于与后面讲到的火星磁强计、火星离子与中性粒子分析仪、火星能量粒子分析仪一同探测火星的空间环境。

天问一号环绕器上的次表层雷达主要探测目标也是与火星生命有关的水冰和液态水分布，相比于祝融号火星车上的次表层雷达，环绕器雷达的探测深度较深，可达土壤100米，冰层1000米深。

天问一号次表层雷达探测到的成果可能以什么样的方式呈现？当探测到地下有“异常”区域时，雷达图像中会表现为“亮线”。次表层雷达剖面图里的亮暗体现的是回波信号的强弱，并不是实际的地下剖面照片，即分界面的亮线对应着雷达反射强度较高的区域。

5&6&7、火星磁强计（MOMAG）、离子与中性粒子分析仪（MINPA）和能量粒子分析仪（MEPA）

天问一号环绕器的这三个仪器主要探测目标都是火星的空间环境，包括火星的周围的磁场、诱导磁层、太阳风与火星高层大气/电离层之间的相互作用等方面。

火星没有地球、水星那样内部自发的偶极磁场（专业点叫“内禀磁场”），但火星有大气层和电离层。电离层与太阳风的相互作用造就了火星如今的空间环境；再加上火星的壳层还有一些不对称分布的剩磁，这让太阳风与火星的相互作用变得更加复杂了一点。

通过对不同空间位置处的火星磁场、离子与中性粒子、能量粒子等方面的探测，可以帮助我们了解火星内部结构和磁场的演化、太阳风与火星高层大气/电离层之间的相互作用、火星大气的散逸变迁等诸多谜团。

已经退役的NASA火星全球探勘者号（MGS），曾对火星壳层的剩磁分布做过全球考察。而如今和天问一号为伴、同样致力于探究这些谜团的在轨探测器，还有火星快车号、火星奥德赛号和MAVEN探测器。不过这些探测器的探测轨道不同，携带的探测仪器也有一定差异，不同轨道的多个探测器成果可以互为验证和补充。例如MAVEN的工作轨道在近火点约150公里，远火点在约4500-6000公里高度，而天问一号计划的科学探测轨道（近火点265公里、远火点12000公里）距离火星更远一些。

天问一号环绕器的磁强计整体为伸杆式，两个磁通门探头安装在一根3米长的伸杆上。伸杆的作用是让探头远离探测器主体，减小探测器本底剩磁对探头想要探测的空间磁场的影响。

这种设计与NASA的水手4号、欧空局的金星快车号任务搭载的磁强计相似，与之不同的另一种常见设计是直接把探头安装在两侧太阳能板边缘，这样也能让探头远离探测器主体，例如火星全球探勘者号（MGS）和MAVEN的磁强计。

值得一提的是，这是我国首次在深空探测任务里搭载磁强计，之前的嫦娥系列探测器均没有搭载过磁强计。

离子与中性粒子分析仪（MINPA）和能量粒子分析仪（MEPA）负责探测火星周围的各种低能和高能粒子（低能离子、低能中性粒子、电子、质子、α粒子、重离子）。

两种仪器与环绕器上的磁强计、甚低频射电接收设备携手，可以获取火星周围多种粒子的空间分布，帮助我们全面系统地研究火星高层大气、电离层及其与太阳风的相互作用，揭示火星空间环境变化特征与演化规律 [1]。

祝融号火星车的科学仪器

祝融号火星车重240公斤，完全展开时长2.6米、宽3米、高1.85米。祝融号共携带了6种科学仪器：① 导航与地形相机（NaTeCam）、② 多光谱相机（MSCam）、③ 火星表面成分探测仪（MarSCoDe）、 ④ 次表层雷达（RoPeR）、⑤ 火星表面磁场探测仪（RoMAG）和⑥ 火星气象站（MCS）。

1、导航与地形相机（NaTeCam）

祝融号的一对导航与地形相机位于火星车桅杆顶端，就像火星车的“双眼”，可以拍摄沿途火星表面的彩色立体照片，探测火星的地形起伏，同时为火星车的导航提供支持。

在桅杆顶端配置导航与地形相机，几乎是目前火星车的标配。勇气、机遇、好奇号火星车均采用了在桅杆顶端配备1对用于导航的导航相机和1-2对用于考察地形的桅杆相机/全景相机，天问一号的导航与地形相机也承担了相同的使命。

这是祝融号还没从着陆平台上下来的时候，导航与地形相机的360度环拍照，拍到了火星车自己、着陆平台的滑轨、以及着陆区周围的火星景色。

在接下来的火星旅程中，导航与地形相机会成为祝融号的“旅拍”主力，给我们带来源源不断的火星新风景。

2 & 3、多光谱相机（MSCam）和表面成分探测仪（MarSCoDe）

祝融号的多光谱相机和表面成分探测仪都负责探测和分析火星表面的岩石类型、矿物成分。

同导航与地形相机一样，祝融号的多光谱相机也安装在桅杆顶部，可以拍摄火星车沿途多个固定波段下的影像。多光谱相机和前面说到的光谱仪有相似之处，主要原理都是利用“光谱”这种“指纹”来探知不同成分物质的分布。只不过，光谱仪不一定成像（能成像的光谱仪也叫“成像光谱仪”），而多光谱相机/成像光谱仪会拍摄影像，这可以大大提升光谱数据的空间分辨率，相当于能快速获得一大块面积里某种矿物成分的空间分布。

多光谱相机和高光谱相机的主要区别在于成像谱段的数量和宽窄：利用滤光设备，多光谱相机通常只会在想要探测的波段范围内选取3-10个谱段进行成像，而高光谱相机则会有许许多多谱段，一定程度上来说和成像光谱仪是差不多的——前面说到的OMEGA成像光谱仪和CRISM成像光谱仪本质上就是高光谱相机。

但另一方面，多光谱相机只会在固定几个光谱频段拍摄影像，这会损失一定的光谱分辨率，因此主要用于探测几种固定的目标矿物。

典型的例子是日本月亮女神号（Kaguya）月球探测器的多光谱相机（MI），共有九个成像谱段：415, 750, 900, 950, 1001 nm（紫外可见光波段）和1000, 1050, 1250, 1550 nm（近红外波段），主要用于探测月球上斜长石、橄榄石、斜方辉石、单斜辉石和氧化铁这几种矿物的分布。

祝融号的多光谱相机共有9个成像谱段：480、525、650、700、800、900、950、1000 nm和全色波段，涵盖可见光到近红外波段范围。与之探测相似波段范围的勇气号、机遇号火星车全景相机（PanCam，400 - 1100 nm内多个谱段），主要用于探测火星表面的铁氧化物、含铁硅酸盐等与火星水环境和地质演化紧密相关的矿物。

祝融号的表面成分探测仪包含两种仪器：激光诱导击穿光谱探测仪（LIBS）和短波红外光谱探测仪。短波红外光谱仪没啥新鲜的，前面都说了好几种光谱仪了，只是这个光谱仪的探测波段在短波红外波段（0.85-2.4 μm），与火星车上的多光谱相机波段有所不同，可以互为补充。

另一项激光诱导击穿光谱仪（LIBS）就更加炫酷了：通过向目标物发射高能激光脉冲，探测烧蚀激发出的等离子体冷却过程中的特征发射光谱，进而远程探测出目标物的元素成分组成信息。简单来说，这是一个“哪里不懂点哪里”的“激光炮”。

祝融号的LIBS能探测出目标物中包括硅、铝、铁、镁、钙、钠、氧、碳、氢、锰、钛、硫在内的十多种元素，这也是我国第一次将该技术用于深空探测。在此之前，NASA好奇号的化学相机（ChemCam）、毅力号的超级相机（SuperCam）都在火星验证过这项“高能”技术的科学价值。

4、次表层探测雷达（RoPeR）

火星车的次表层雷达基本原理与环绕器搭载的次表层雷达相似，也是通过主动发射和接收电磁波信号来探测火星车沿途地下的浅表层结构，例如风化层厚度、溅射物层、水冰分布等。

相比于天问一号环绕器的次表层雷达（探测深度为土壤≥100米，水冰≥1000米），祝融号火星车次表层雷达的电磁波频率更高，可以以更高的分辨率精细探测火星车沿途地下更浅表层的结构（土壤≥3-10米，水冰≥10-100米）。

与玉兔号、玉兔二号的测月雷达相似，祝融号也搭载了2个不同频率的次表层雷达，高频雷达探测浅部，低频雷达探测深部，这样可以兼顾探测深度和探测分辨率。（详见：兔二醒来，两器互拍！真正的探险才刚刚开始！）区别是两艘玉兔号的高低频次表层雷达分别安装在月球车的底部和后部，祝融号的高低频次表层雷达均安装在火星车前部。

除了祝融号和天问一号的环绕器，同期发射的NASA的毅力号火星车也携带了次表层雷达（RIMFAX），而在此之前，还没有火星着陆器或火星车携带过次表层雷达，这也让本次两辆火星车雷达的探测成果尤为令人期待。

综合分析多个雷达的探测数据，可以帮助我们了解火星上不同区域、不同深度的次表层结构。

5、火星表面磁场探测仪（RoMAG）

祝融号火星车携带了2个相同的三轴磁通门探头（磁强计传感器），分别安装在桅杆的顶端和底端，负责探测火星近地表的磁场强度。这也是首个火星表面可移动的磁场探测仪器。

前面说过，之前的火星环绕器早就远远探知火星的壳层还有一些剩磁。这些剩磁是如何形成和演化的，可能与火星的内部结构和演化有关，但之前还没有火星车贴近火星表面直接测量过火星壳层磁场（洞察号着陆器携带了磁强计，但洞察号本身不能移动）。祝融号的直接测量结果既能帮助我们了解火星壳层剩磁的信息，也能与天问一号环绕器携带的磁强计探测结果相结合，帮助我们更全面地了解太阳风与火星高层大气/电离层的相互作用。

6、火星气象站（MCS）

祝融号在火星车的桅杆顶部和甲板前端两处安装了风、声传感器和温、压传感器，使之成为了一个可移动的火星气象站，可以长期观测火星车附近的气温、气压、风速、风向和声音信息。火星气象站积累的这些气象参数，可以帮助我们我们了解火星如今的气象状况，追溯火星的气候变化历史。

火星气象站是火星着陆任务的常备组件，如今正在火星表面工作的好奇号火星车、洞察号着陆器、毅力号火星车都在长期记录和播报着所在地的气象数据。随着祝融号的加入，火星气象网自此又新增了一个移动气象站点呢~

总的来说，天问一号计划对火星开展的科学探测涉及到火星的方方面面，外至火星的空间环境、火星表面，内至火星的次表层、水冰和液态水分布、物理场和内部结构，环绕器+火星车这13种科学仪器都可以“一网打尽”。

值得一提的是，90个火星日是祝融号的设计寿命，但并不意味着实际工作时长的上限。如果火星车能保持供电、保暖、行驶、通讯和健康工作，那实际工作的寿命完全可能很长。事实上，同样使用太阳能供电的勇气、机遇号火星车设计寿命也是90个火星日，但两辆火星车实际分别工作了5年和14年。

天问一号环绕器更是如此，完全可能远超1个火星年（也就是约2个地球年）的设计寿命，长长久久地环绕着火星工作着，源源不断地为我们带来新的科学发现。

让我们一起期待和见证吧。

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致谢

本文感谢Planetary Utopia群友们对本文提升所做的帮助~

本文感谢澳门科技发展基金（FDCT 0042/2018/A2）的支持

参考资料

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