“毅力号”火星车搭载的无人机“机智号”即将开始首飞，在火星没有GPS导航的情况下怎么进行正常飞行？
我们得先明白一个关键点：火星上确实不像地球上有我们熟悉的GPS系统。GPS依赖于一系列分布在全球的卫星，通过卫星信号的测量来确定我们的位置。火星可没这回事儿。那么，“机智号”是怎么导航的呢？这就要靠它身上自带的一套“看家本领”了。
首先，“机智号”并没有一个独立的、实时精确到米级的“自动驾驶仪”。它的飞行并不是像在地球上开着导航去某个具体地址那么简单。更准确地说，它的飞行是基于预先设定的飞行路径和对周围环境的感知，并通过车载的传感器来不断修正自己的姿态和方向。
想象一下，“机智号”就像一个训练有素的特技飞行员，它不是在“认路”，而是在“跟着感觉走”，但这个“感觉”是非常精确和科学的。它的关键导航设备包括一个名为“惯性测量单元”（IMU）的系统。这个IMU里集成了陀螺仪和加速度计。陀螺仪能够感知它的旋转速度，知道它有没有在翻滚或者转弯；加速度计则能测量它在各个方向上的加速度，从而推算出它的移动速度和方向。
所以，当“机智号”接到起飞指令后，它会根据从地球传来的详细飞行计划，也就是已经规划好的路线和姿态调整指令，来启动它的旋翼。在起飞过程中，IMU会实时记录它的运动轨迹，比如它上升了多高，向哪个方向移动了多少。这些数据会被输入到无人机的飞行控制计算机中。
同时，为了确保飞行姿态的稳定，它还有一套“视觉里程计”系统。这个系统就像是无人机自己的“眼睛”。它会通过摄像头持续拍摄下方的火星地表图像。通过分析这些连续拍摄的图像，无人机可以识别出地表特征的移动和变化，从而判断出自身的运动速度和方向。打个比方，就像我们坐在火车上，看着窗外的景物飞速后退，我们就能知道火车在前进。同样的道理，“机智号”通过分析地表景物的“后退”速度，就能估算出自己的飞行速度。
这些来自IMU和视觉里程计的数据会被融合在一起，形成一个关于“机智号”当前位置和姿态的相对估计。当然，这个估计是相对的，也就是说，它知道自己相对于起飞时的位置变化了多少，但它不知道自己绝对的火星坐标是多少。
那为什么还能确保它不会“飞丢”呢？这是因为每次飞行任务都有非常周密的计划和执行流程。它并不是自由飞行的，而是被严格控制在一个预设的飞行区域内。它的每一次行动，包括起飞、上升、悬停、转向、下降，都是按照事先计算好的参数进行的。
而且，地面控制团队会通过“毅力号”火星车和绕火星飞行的轨道器来监测“机智号”的飞行过程。虽然这些监测不是实时GPS定位，但它们可以获取到“机智号”在飞行过程中的遥测数据，包括它的状态、姿态、电池电量等等。如果发现“机智号”的实际飞行轨迹与预设计划有较大偏差，地面团队也可以根据这些数据进行后续的调整或者安全回收。
所以，总的来说，“机智号”的火星飞行，依靠的是一套精密的自主导航和感知系统，结合了惯性测量、视觉识别以及地面周密的飞行计划和监测。它不是在“找路”，而是在“执行指令”，并通过自己的“眼睛”和“身体感觉”来保证每一次动作的准确和稳定。这就像一个熟练的舞蹈家，通过对音乐和舞步的记忆，以及身体的感知来完成每一个动作，而不需要一个观众在旁边实时指路。
网友意见
很多飞手（无人机操控员？）都知道，无人机有一个致命的弱点，那就是对GPS的严重依赖。在GPS信号弱的地方，无人机就像个盲人一样，仅凭基于陀螺仪的惯性导航系统，无人机无法获得足够精确的自身坐标数据，也无法准确识别周围环境，软件写的不好就直接摔机了。
但是资深的飞手知道，除了GPS，还有一种失控飞回的大法，就是“光流定位”。简单的说就是，在无人机腹部安装一个照向地面的摄像头，通过检测判断影像中静止地面像素点相对于飞行器的移动速度，得到飞行器相对于地面的移动速度和方向，从而得到一个相对起飞坐标原点的实时定位。这是Gibson在1950年首先提出来的，NASA发射勇气号时还临时拿这个来救场，拯救了机遇号和勇气号项目(这就是另外一个故事了，以后有人提问再回答吧)。
除了光流定位，还有雷达定位，道理差不多，只不过是用无人驾驶汽车的那个LIDAR激光雷达技术来测绘地图，最早是由MIT和兰利的工程师研发出来的，现在用于森林等无GPS信号地带的搜救工作。负责搜救的无人机上的LIDAR映射系统可以通过激光束2D扫描其周围的树木等障碍物，并通过树之间的角度和距离来识别树丛。具有精度高、动态响应快、可以应用于复杂环境的特点。
机智号
在火星上以受控方式飞行远比在地球上困难得多。由于地球与火星「通讯时差」的关系，“机智号”这架4磅重的无人机将不得不在没有地球人类操控导航的情况下独自完成飞行任务。换句话说，它是自主飞行到65米高度，然后自主转弯和降落的，因为来自NASA/JPL指挥中心的无线电信号需要15分27秒，才能穿越2.784亿公里到达火星。而每次飞行计划时长总共才40秒，也就是说，如果万一真的起飞后坠机时，地球人要等15分钟才会刚刚知道它顺利起飞的信息。
因为火星上没有GNSS（比如GPS，或者应该叫APS？），所以只能在毅力号火星车的帮助下，靠直升机自己完成进行通信和辅助定位的工作了。
机智号上装有惯性测量单元（IMU，有可能这次不启用）、倾斜传感器和激光高度计，还有一个朝向地面的黑白相机和一个朝向地平线方向的彩色相机，可以实时感知无人机的三轴姿态角(或角速率)、加速度、高度等信息，在制导、导航和控制系统的算法加持下，通过调整其旋翼桨叶的螺距和飞行姿态，来完成相对毅力号的定位飞行。为了保险起见，机智号不会做特别复杂的飞行动作，而是规规矩矩的在空中椭圆区内飞一圈。下面的白线区域内就实际会飞的区域。这一区域的地型非常平整，几乎没有什么地型起伏。
在盘旋时，无人机的导航摄像机和激光高度计将把信息实时输入导航计算机，以确其不仅时刻保持水平状态，而且保持在10×10米的「机场（上图中airfield）」区附近——这一片因其地势平坦无障碍物而被选中。
（火星超极稀薄的大气层使无人机要持久地产生巨大的升力才能停留在空中。这就要靠太阳能电池板为每天90秒的飞行提供能量。）
那这些高清火星地图是哪里来的？虽然目前还没有宇航员踏上过火星的土地，但科学家们已经非常熟悉火星的地形特征，这在很大程度上要归功于GIS地理信息系统。早在2001年，火星奥德赛号就曾环绕火星飞行并拍摄了火星表面大量照片，为地球人类提供了大量的火星空间数据。
机智号计划将在31个地球日（30个火星日）内进行5次飞行。如果成功，工程师们将与地球上的建模、模拟和测试进行比较，获得来自真·火星的宝贵飞行数据，这对于未来可能的火星任务是非常珍贵的，也为下一代无人机更大胆的飞行做准备。
当然，毅力号也没闲着，它将使用Navcam和Mastcam-Z成像仪拍摄无人机的飞行图像，实时传回JP L实验室，以供科学家研究改进。
就像莱特兄弟的第一次飞行只有少数目击者一样，这一次历史性的飞行也只有毅力号一个现场观众，为地球人类分享另一个世界里的首次动力飞行。很幸运，我们有机会目睹地球人类的的又一次伟大的飞行。
祝成功。
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