基本介紹
- 中文名：火星探測車
- 外文名：Mars probe car
- 作用：探索火星並在其表面行駛和考察
- 別名：火星漫遊車
- 火星：唯一可能被地球化的行星
- 型號舉例：索傑納、勇氣號和機遇號
簡介,為何不將人送上火星,火星車的性能,火星探測車的規格,火星探測車內部,火星探測車的動力裝置,機器人探索火星,火星探測車通信,火星探測車一天的工作,MSC Adams助力“好奇號”執行火星任務,勇氣號和機遇號火星車定位方法評述,無線電測控定位,航跡推算,太陽圖像確定方位角,視覺測程,光束法平差定位,地面影像與高解析度衛星影像對比,中國首個火星探測車設計圖公布,
簡介
火星是太陽系中唯一勉強與地球相似的行星，也是除地球外唯一有可能進化出生命的行星（另外可能孕育生命的星球還有冰凍的木衛二，但它只是木星的一顆衛星，並不是行星）火星是人類在太陽系中有希望在不久的將來實現登入、行走並以傳統方式進行探索的唯一顆行星，也是唯一可能被地球化而成為類似於地球的行星。
正是因為以上各種原因，人類已經向火星發射了30餘艘不同的探測飛船。NASA（美國國家航空和航天局）的火星探測車“勇氣號”和“機遇號”是火星比較近的兩個造訪者。2011年11月26日23時2分，“好奇”號火星車發射升空，隨後順利進入飛往火星的軌道，發射取得圓滿成功。
為何不將人送上火星
最近的火星探測任務包括一對機器人探測車，稱為火星探測車（MER）。為什麼要把機器人送上火星而不是像探月那樣直接把人送上去？我們尚不具備將人送上火星的能力。這種謹慎的態度不是沒有理由的。首先也是最重要的原因在於我們探索火星的歷史記錄不容樂觀——各國總共向火星發射了30多個探測器，但只有不到三分之一成功抵達了火星。這顯然不是什麼好的記錄，它無法鼓勵我們把機器人探測器換成人類，至少在我們提高成功幾率之前是這樣。
其次是成本。目前將一公斤重的機器人送上火星需要花費約五十萬美元的設計和發射費用，而機器人不需要考慮複雜的生命保障系統，也不用擔心返回的問題——這將為飛行任務節省很大的重量。另外，機器人不需要在火星表面軟著陸。而要將一個小組的人員送上火星需要至少45,000公斤重的飛船、裝備、食物和水（例如，每一個人將需要408公斤以上的脫水食品）。按照每公斤五十萬美元計算，則總共花費1,000億美元。而實際上，載人探測任務的單位重量成本很可能要高於機器人任務，因為需要為乘員保留相當大的安全裕度。第三個原因來自工程上的挑戰。例如，要實現載人探測，一個可能的情形是要從火星大氣中生產回程的燃料。然而至今還未進行過任何相關的嘗試，甚至還需要通過多次試驗性探測飛行來驗證這種想法。另外一個重要的考慮是，在如此漫長的任務中太空人可能受到的太空輻射以及阻擋輻射的方法。在地球上，地磁場阻擋了大部分的輻射，而火星沒有地磁場。
勇氣號火星探測車
勇氣號火星探測車綜合以上原因，人類近期還不會將人送上火星。但是我們仍然可以用機器人來代替作業。火星探測車（MER）機器人就是這種思路的體現。
實際上，保證探測車在到達火星以後仍然可以工作是火星探測任務中最棘手的一環。構想在沒有任何減速措施的情況下，嘗試將一台複雜的機器人從10層樓扔下卻又要使它保持完好無損（或者換成一台普通的DVD播放機）。這比起將探測車送上另外一顆行星上來說簡直是不值一提。
火星車的性能
20世紀70年代，NASA發射了一對“維京號”火星登入器，當時所有的星際機器人都具有三個基本組成部分：（1）能夠產生執行任務所需的能量；（2）能使用感測器收集信息；（3）能將收集的信息傳回地球。
兩代火星探測車
兩代火星探測車維京號”火星登入器擁有可以伸出機械手來鏟土，但是它們不能移動。
NASA首次實現移動的突破是在1997年火星探路者任務中。那是一台小型的探測車（僅重11公斤），能夠離開探路者探測器運行5米並查看周圍的岩石。火星探測機器人是迄今為止在其他行星上實現成功著陸的最大的探測車。在這類任務中，NASA設計的MER機器人工作起來就像是一個機器人地質學家。探測車裝載的儀器設備的首要目的是研究岩石。
以下是探測車的功能：
（1）探測車能夠利用自身的太陽能電池板發電並將其儲存到電池中；（2）利用裝在桅桿上的一對高解析度照相機，探測車可以拍攝立體的彩色地形照片；（3）探測車上裝有獨立的熱輻射光譜儀，該光譜儀利用桅桿作為潛望鏡以獲得熱學數據。
正在使用岩石打磨工具的探測車
正在使用岩石打磨工具的探測車科學家選擇地表上的一點，探測車就可以移動過去。探測車是獨立運行（自動駕駛）的，因為無線電信號在地球和火星間傳播的時滯太長，不適合使用遙控操作。探測車的前部、後部和桅桿上的三對黑白攝像機能使探測車看清楚周圍的狀況並實現導航以避開障礙物。探測車有6個輪子，每個輪子配有一台發動機驅動探測車移動。
探測車的小機械臂上裝有一台鑽孔機，探測車可以用它在岩石上鑽孔。這種鑽孔機的官方名稱叫岩石打磨工具（RAT）。探測車上有一個顯微照相機，與鑽孔機安裝在同一機械臂上，科學家可以利用它來仔細觀察岩石的微細結構。
火星探測車裝備
火星探測車裝備探測車上三個不同的部位都裝有磁鐵。含鐵砂粒會粘到磁鐵上，這樣科學家們就可以分別使用相機和分光計對它們進行觀察和分析。
探測車上有三架不同的無線電天線，可以選擇任意一個將所得數據傳回地球
火星探測車的規格
要裝下所有這些儀器設備、馬達系統和發電器件要求探測車的尺寸很大——約有一台小型乘式割草機那么大。以下是相關數據：
1.5米高（包括上面的桅桿）；2.3米寬；1.6米長；174公斤重
探路者任務使用的旅居者號火星車的複製品
探路者任務使用的旅居者號火星車的複製品最大速度：可能是30米/小時，每天最多行進100米。
Pancam是一種多光譜的立體全景成像系統，包括兩架置於桅桿上的數位照相機（位於火星地表上方1.5米處）。Pancam系統可以利用桅桿實現360度全方位和在正負90度的俯仰角下進行拍照。每個Pancam照相機使用一個有效成像面積為1024×1024的CCD監測器陣列。Pancam照相機有一個16×16的視野。 造價：一共大約是8.2億美元（兩輛探測車）+用於設計/開發環節的6.45億美元+用於Delta運載火箭及發射的1.00億美元+用於探測操作的0.75億美元。
火星探測車內部
探測車的車身是一個叫做電子恆溫箱（WEB）的封閉箱體。這個箱子的作用非常關鍵，因為火星表面溫度在夜間會降低到零下100攝氏度。如果不採取任何保暖措施使溫度維持在零度以上，則電池和很多電子原件都會停止工作。 WEB箱是一種隔熱箱，內含探測車的計算機中樞、鋰電池、無線電及其放大裝置、控制各種分光計等儀器的電子設備。基本上，所有無法抵禦零下100度低溫的器件都被置於恆溫箱中。
火星探測車組成
火星探測車組成恆溫箱通過三種不同機制實現保溫：
（1）工作狀態下的各電子模組本身可以產生熱量。以計算機為例，它的功率為7瓦，所以產生的熱量與一盞7瓦電燈泡相當。
（2）計算機可以打開多個功率為1瓦的小型電阻加熱器來提升溫度。
探測車的組件探測車使用的是一台BAE systems公司生產的RAD6000型計算機。其處理器與早期Macintosh計算機使用的老式PowerPC處理器在結構上幾乎是完全相同的。從今天的標準來看，這種處理器的速度很慢，只有20兆赫，大約是今天普通台式計算機速度的百分之一。它有128KB的RAM記憶體，256KB的快閃記憶體，以及用於存儲啟動代碼和作業系統的ROM。該機沒有磁碟驅動器。雖然這種計算機速度很慢而且非常昂貴（每台20到30萬美元），但是它們有兩大優點：耐輻射和能夠抵禦火星上的太空輻射。
採用Wind River Systems公司的VxWorks（PDF）實時作業系統，這是一個非常可靠的系統。
這種計算機使探測車的可靠性遠遠高於普通的台式計算機。這樣做的原因是要保證探測車不會出現任何數據丟失或錯誤的現象。
顯示了探測車的後著陸板和火星視野
顯示了探測車的後著陸板和火星視野計算機幫助探測車進行能源管理、圖像處理、發動機控制和儀器設備管理。另外還負責導航任務。探測車有3對共6台導航攝像機，每組攝像機得到的立體圖像都要交由計算機處理。利用雙目視覺算法，計算機能夠辨認出視野中不同岩石的大小以及距離。利用這些信息，計算機可以繪製出包含附近所有障礙物的地圖，並操縱探測車在移動時避開障礙物。
探測車上裝有1.3平方米的高效率太陽能電池板來提供電能。探測車首次展開時，電池板很乾淨。由於季節的原因，正午時分的太陽輻射非常強烈——以火星上的標準來說。電池板的高峰發電功率大約是140瓦特，也就是每天發電約0.9千瓦時（用這些電能可以維持一盞100瓦的照明燈泡工作9個小時）。換言之，每個火星日當中只有6個小時的太陽光的強度足夠支持太陽能電池板工作。
太陽能電池板將產生的電能提供給耗電器件（計算機、發動機、岩石打磨工具以及無線電裝置等等）。剩餘的電能被儲存進兩塊28伏、10安培小時的鋰電池中。
火星探測車的動力裝置
1970年maxon電動機公司向市場推出了12-32mm直徑的電動機系列。那時候，人們對這種技術還並不真正了解，人們雖然可以期待獲得較高的效率，但是工業界對於其適用性還不是太相信。但是maxon電動機公司的產品慢慢地底得了市場。由於產品不斷地改進，並且不斷推出新的驅動裝置和驅動系統，maxon電動機公司在世界上漸漸出名。
這家瑞士的驅動裝置專家最大的挑戰是火星探測車。在“ 探路者”(1997年發射)號上就有1台maxon公司的電動機作為行駛和控制用的驅動裝置。和探星上著陸的“精神”號和“機會”號火星車上各安裝了39 台maxon公司的電動機，用於執行各種不同的任務。探測器本身沒有地面站，只是由一個用著陸裝置運輸到火星上的巡迴車組成。當巡迴車離開了著陸裝置之後，著陸裝置就沒有什麼用了。185kg的火星巡迴車根據火星表面的情況最多一天可以行走100m。這比“探路者”號火星車的行走距離要大60倍。JuegFen Mayer 對使用的電動機的質量非常有把握，因為這第二次火星探測任務一開始只準備持續90天，而現在“ 精神”號計畫已經進行了兩年多了。2005年4月美國航空和航天管理局(NASA) 宣布，該計畫再延長18個月至2006年9月才結束。
機器人探索火星
構想地球上的科學家選中了一塊岩石，並命令探測車移動到足夠近的位置使機械臂夠得著目標。對於接下來發生的事，這篇Cornell News文章（2003年12月19日）進行了描述：
由於暴露於太陽、火星大氣以及細微的火星塵埃下長達數十億年，火星岩石上都覆蓋了一層風化“外衣”，或稱外表層。對此，“勇氣號”和“機遇號”探測車攜帶的科學工具包中包括了岩石打磨工具（RAT）。岩石打磨工具使用一個帶有金剛石鑽頭的自動磨削工具將岩石的風化外層磨掉，露出嶄新的表面。
接觸到岩石內部的原始部分對於解決以下兩個問題是至關重要的：一是了解火星的地質歷史；二是解決巴特利所宣稱的“重大問題”，即這顆紅色行星上是否曾經存在過水或者適合生命生存的環境？
這些重大問題的解決很可能要依靠一台很小的儀器：這種岩石打磨工具的重量只有0.68公斤，消耗的功率（僅30瓦）還不及大多數的電燈泡。其尺寸與一個可樂罐的大小相當。
岩石打磨工具位於探測車機械臂的前端（或稱“手部”），同在那裡的還有其他分析岩石的科學儀器、一台顯微照相機、Mössbauer質譜儀和阿爾法粒子及X射線分光計。機械臂和人的上肢一樣也具有肩關節、肘關節和腕關節，所以非常靈敏。工作時，岩石打磨工具被機械臂壓在岩石的表面。
僅需兩個小時，岩石打磨工具的磨削輪就可以從堅硬的岩石表面磨出一個直徑和厚度均為兩個5分鎳幣的圓孔。然後用兩把刷子將孔中的岩屑掃乾淨，露出新鮮的表面以便近距離觀察。
之後，照相機和分光計接手工作，透過磨削孔對岩石內部進行仔細的分析。為了讓科學家了解岩石可能經歷的風化過程，探測車還會紀錄岩石打磨工具磨削岩石表層的時候三個馬達的溫度和實時數據。
火星探測車通信
探測車收集到的數據還需要傳回地球。所謂的數據包括照片、光譜信息和系統狀態信息等等。另外，地面上的科學家和工程師們也需要向探測車傳送指令和軟體升級等數據。探測車有三種不同的無線電來負責通信。
第一種是低能耗、低速的UHF無線電。這種通訊的連線方式使用低增益、全方向的天線。該天線不需要任何定向，能以較低的數據率把數據傳回地球或傳給人造衛星。這是一種“萬不得已”時的通訊方式。
火星表面上的“勇氣號”的俯視圖
火星表面上的“勇氣號”的俯視圖第二種是高速UHF無線電，負責和兩顆已運行在火星軌道的衛星進行通訊——“火星奧德賽”和“火星全球勘測者”衛星。當一顆衛星出現在探測車上空時，探測車會把數據快速注入衛星，持續的時間大概為8分鐘（每次衛星通過時）。探測車能以每秒128Kbit的速度傳送數據，使用的無線電功率為15瓦。接著，當地球出現在衛星視野中時，衛星利用2.5米長的天線和100瓦功率的無線電設備再將數據傳回地球。這就是大部分照片數據返回地球的方式。每天通過這些通道傳回地球的數據可達10MB。最後是探測車上直徑0.3米的定向（高增益）天線。當地球出現在探測車視野範圍內時，探測車天線能追蹤到地球並實現與地球上的科學家和工程師的直接通訊。由於地球與火星之間距離為3.22億公里，所以通訊時會有20分鐘的往返延時。探測車使用40瓦的無線電，每分鐘只能傳遞12Kbit的數據。因為這是一種直接連線，所以NASA用它來向探測車傳送指令和接收重要數據。然而，由於行星的排列以及無線電所需能量等原因，這種連線在一天當中的可用時間只有3個小時。
火星探測車一天的工作
通常在一天當中，每台探測車會向地球傳送照片、儀器數據和狀態數據。科學家根據當天及前一天的數據來做出相應的決策。然後科學家藉助高增益天線，透過3個小時的直接通訊視窗，將指令傳送給探測車。在接下來的20個小時內，探測車自行工作，包括執行指令並將數據傳給上空的兩顆衛星。探測車的指令可能是命令它前往一塊新的岩石、磨削岩石、分析岩石、拍攝照片或者使用其他儀器蒐集數據。在為期大約90天的時間內探測車和科學家們都將重複這樣的工作模式。之後，探測車的能量開始衰竭。同時，火星和地球的距離將會越來越遠，給通訊帶來更大的困難。最後，當探測車沒有足夠能量或者距離太遠導致無法通訊的時候，探測任務便宣告結束。
探測車正在工作
探測車正在工作MSC Adams助力“好奇號”執行火星任務
MSC Software Corporation日前宣布，在好奇號探測車出色完成的下降和著陸火星的任務中，該公司的Adams多體動力學軟體從中扮演了至關重要的角色。NASA噴氣推進實驗室(JPL)的工程師團隊曾對天空起重機的操作序列進行了一系列重要的計算機仿真。JPL團隊成功、精確地將探測車降落到這個紅色星球上，眾人稱之為“巨大的技術成就”。
JPL在Adams上進行的計算機仿真對於此次著陸任務而言是不可或缺的。例如，探測車分離期間，在下降速率限制器(DLR)/束帶布放的“雙體”階段必須防止探測車與飛行器相互碰撞或接觸。藉助Adams，工程師們能夠對這一極其重要的過程進行建模並仿真。
除分離過程以外，Adams仿真還被用於研究從有動力下降直至觸地的整個過程。飛行器攜帶的探測車以每小時13000英里的速度飛行，必須減速以便天空起重機把探測車安全降落到火星表面。JPL的工程師團隊建立了若干Adams子模型，其中包括高度逼真的探測車細節模型。這些工作比以往的探測車建模困難數倍，包括開發移動布放的模型、探測車分離的模型以及著陸觸地的模型。
勇氣號和機遇號火星車定位方法評述
在美國國家航空航天局(NASA)2003火星探測車任務中，勇氣號(Spirit)和機遇號(Opportunity)火星車攜帶相同的科學和工程儀器於2004 年1月4 日和25 日分別在古謝夫隕石坑(Gusev Crater)和梅里迪亞尼平原(Meridiani Planum)成功著陸，業務化運行至今(2009年6月底)已近5 年半的時間，在科學發現和工程實施方面都取得了空前的成功，而高精度的火星車定位對安全行駛及科學目標和工程目標的實現發揮了關鍵性的作用。勇氣號和機遇號火星車的定位運用了無線電測控定位、航跡推算、太陽圖像確定方位角、視覺測程、光束法平差定位、地面影像與高解析度衛星影像對比等多種方法，每種方法都有其自身的優點和局限，多種方法的最佳化組合保證了定位信息的及時、精確。
無線電測控定位
勇氣號和機遇號火星車用其無線電系統同地球跟蹤站直接通信或與火星軌道器通信，根據無線電信號的都卜勒頻移來確定火星車在火星慣性參考系統中的位置。通過多次重複測控定位，火星車在慣性參考系統中的定位精度可達1-10m。無線電測控確定的火星車位置可以轉換到星固參考系統中，轉換精度為±250m。
”勇氣號“火星探測車
”勇氣號“火星探測車勇氣號火星車著陸後，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)導航團隊把第2個火星日至第4 個火星日地球測控站直接得到的雙向都卜勒信號以及勇氣號與奧德賽軌道器在兩次通信視窗得到的雙向都卜勒信號聯合處理，得到了著陸器的位置(即火星車初始位置)。機遇號著陸器的定位也採用了相同的方法。在勇氣號的第94 至98 火星日位置、機遇號第75 至第78 火星日位置火星車原地不動實施軟體更新上載任務，無線電測控定位方法在這兩個位置再次對火星車進行定位。著陸點和軟體更新位置也通過衛星圖像中地物識別和平面三角交會的方法定位。將無線電測控定位位置轉換至星固參考系統並與基於衛星圖像定位的位置相比較發現，兩種定位方法勇氣號兩個位置的差別均為370m左右，在機遇號的兩個位置均為135m左右，表明兩種方法都精確、可靠，兩種方法得到的位置的差別主要來源於慣性參考系統和星固參考系統轉換帶來的誤差。此後，無線電測控定位方法還用於少數幾個火星車停留了較長時間的關鍵位置。
無線電測控定位方法的優點是全局絕對定位，缺點是無法實現實時自主定位。應當結合其他方法使用，並消除慣性參考系統和星固參考系統坐標轉換帶來的誤差。適合用於著陸器定位和火星車停留較長位置的定位。
航跡推算
航跡推算法(Dead Reckoning)基於里程表和慣性導航器件(Inertial Measurement Unit , IMU)計算火星車的位置和姿態，不依賴於外界環境信息，是一種車上實時自主定位方法。勇氣號和機遇號火星車所用IMU是Litton LN-200型，由表面姿態位置及指向(Surface Attitude Position and Pointing，SAPP)軟體以8Hz的頻率計算和更新其姿態和位置，其中姿態更新由三軸加速度計和三軸陀螺儀量測，位置由IMU和里程計轉數共同計算。SAPP軟體獲取火星車位置的設計精度為行駛距離的10%，即在100m的行駛距離累積定位誤差不超過10m。
”好奇號“火星探測車
”好奇號“火星探測車航跡推算法的優點是功耗小、自主性強、計算簡單、相對廉價，缺點是IMU隨時間漂移及車輪打滑在長距離導航定位中會產生較大誤差，例如在勇氣號著陸區的哥倫比亞山、機遇號著陸區的鷹坑(Eagle Crater)和耐力坑(Endurance Crater)上坡時出現過嚴重的打滑現象，其中在哥倫比亞山上坡時有一次高達125%的車輪打滑(指令是向前行駛，實際打滑到後面)。根據其固有的優缺點，航跡推算法作為基本的車上實時定位方法仍然會被廣泛套用，當有條件套用其他精度較高的方法時再對其定位誤差進行定期或不定期的改正。
太陽圖像確定方位角
勇氣號和機遇號火星車還用其Pancam作為太陽敏感器獲取太陽圖像，確定圖像中太陽質心位置，計算相對於火星車參考系統的太陽方位角和高度角，然後利用太陽星曆表和太陽時計算太陽方位角和高度角，通過兩組姿態的關係計算火星車相對於正北方向的絕對方位角，改正IMU隨時間漂移帶來的方位角累積誤差。根據在地球上的測試，用太陽圖像確定方位角的精度為±3°。這一方法無法單獨用於探測車定位，未來的月球車和火星車探測任務中應與航跡推算法結合使用，用於不定期地改進方位角測定精度。
視覺測程
視覺測程法(Visual Odometry，VO)基於連續拍攝的導航相機立體像對在二維影像平面和三維地面空間追蹤特徵點並估計相對的位置和姿態實現車上實時定位，改正由航跡推算方法在車輪打滑時帶來的較大定位誤差。JPL開發的VO算法的基本過程是：1)在第一個立體像對上用Förstner運算元提取特徵點；2)用相關係數法在第一個立體像對上進行特徵點匹配，並用雙二次方內插方法將匹配位置定位到子像素，計算匹配成功的特徵點三維坐標；3)根據航跡推算獲得的第二個立體像對的位置和姿態將這些三維點投影到第二個立體相對中，用相關係數法匹配實現特徵點的追蹤並計算新的三維坐標；4)用RANSAC方法在計算兩組三維點六自由度剛性變換過程中剔除匹配和追蹤的粗差，最後用最大似然估計計算第二個立體像對相對於第一對立體像對的位置和姿態變化，進而獲得火星車在前後兩個位置間的位置和姿態變化；5)對新獲取的立體像對重複以上過程，更新火星車位置和姿態，若提取和追蹤的特徵點數量不足或最終的位置和姿態估計不收斂，則不更新而沿用航跡推算法得到的位置和姿態。
為了保證前後立體像對間有較大的重疊和較小的目標形狀變化，相鄰像對間拍攝間距不超過75cm，攝影方位角的變化不超過18°。由於火星車上計算機速度的限制，獲取和處理一個立體像對並更新位置和姿態需要近3min的時間，速度太慢，因而VO無法用於勇氣號和機遇號的全行程，而是用於部分短距離關鍵路徑上的局部定位(一般小於15m)，如預計車輪打滑時、接近指定的科學目標時。
JPL曾在地球上模擬火星環境下多次試驗驗證視覺測程法的有效性和精度。在“火星庭院”的一次典型試驗中，火星車行駛了24m，VO定位誤差小於2.5 %；在“詹森山谷” 的一次29m行駛試驗中，VO產生的定位誤差小於1.5 %。據JPL研究者的報導，從著陸至2005年3月5日的一年多時間裡，勇氣號有184個火星日行駛，其中52個火星日套用了視覺測程，計算收斂成功率為97%；機遇號有172個火星日行駛，其中75個火星日套用了視覺測程，成功率為95%。VO不成功的情況一般是沒有足夠的特徵點、特徵點分布範圍太小、火星車自身陰影的影響等。
總之，勇氣號和機遇號火星車所用的視覺測程方法的優點是自主性強、精度較高，能改正航跡推算方法在車輪打滑和IMU漂移時的定位誤差；其缺點是計算速度慢、只能套用於局部定位，成功與否依賴於地形特徵。VO速度慢的缺點部分是由於火星車計算機的計算能力限制，未來的火星車或月球車計算機的計算能力應該會強得多。針對在地形特徵貧乏情況下VO失敗的情況，應開發新的算法並結合其他定位方法予以克服。隨著計算機能力的提高和算法的改進，未來的VO定位方法是可以實現快速、全程定位，可望得到廣泛套用。
光束法平差定位
美國俄亥俄州立大學製圖與地理信息系統實驗室開發的基於光束法平差(Bundle Adjustment，BA)的定位方法是將導航相機和全景相機在不同攝站拍攝的圖像連線起來構成圖像網，通過對圖像網的攝影測量光束法平差，提高圖像位置和方位參數以及地麵點位置的精度和一致性，從而實現火星車的長距離高精度定位。在加利福尼亞銀湖沙漠同JPL做的聯合野外測試表明，利用降落圖像和地面火星車圖像聯合光束法平差定位精度達0.1%，僅用火星車圖像的光束法平差定位精度為0.2%。光束法平差定位方法的優點是不需要短距離連續拍照，可以在火星車整個路徑上進行全局定位，定位精度較高，缺點是尚未達到全自動化，目前需要在地球上計算。
對勇氣號火星車的光束法平差定位從著陸點開始一直持續至今，BA改正了航跡推算法在車輪打滑和IMU漂移帶來的較大的累積誤差。例如：從第154至第670個火星日，勇氣號從山腳下爬上了Husband山的山頂並開始下坡，同BA定位結果相比，航跡推算法定位累積誤差為67.9m，占行駛距離1.85km的3.7%，其中最大相對誤差為10.5%(行駛540.6m 時累積誤差56.6m)。由於火星上目前沒有GPS 提供精確的地面實況數據，無法精確評估火星車的絕對定位精度。然而，在2005年1月3日發布的MOC NA (Mars Orbital Camera，Narrow Angle)1m解析度的衛星影像中，可以看到從著陸點到哥倫比亞山的大部分車轍。用此衛星圖像中觀測到的行駛路線與光束法平差定位得到的行駛路線進行對比，發現在路線終點的差別為12m，約為行駛距離3.08km的0.4%。此誤差間接表達了BA定位的精度，其中也包含了衛星影像處理的誤差。
自機遇號在“鷹坑”內著陸至第62個火星日，基於光束法平差的定位處理改正了由於車輪打滑帶來的高達21%的定位誤差。此後，由於該區火星表面幾乎沒有岩石等明顯特徵，行駛距離過長而沒有拍攝圖像，使得基於BA的連續定位方法無法實施。在能夠觀測到明顯特徵(如隕石坑)的地方，用火星車圖像產生的正射影像同衛星影像地圖對比來對機遇號火星車定位。光束法平差定位方法應當在未來的月球車和火星車探測任務中發揮重要的作用。需要進一步增強該方法，提高自動化程度，關鍵之一是自動選取相鄰攝站間的連線點構成影像區域網。近兩年，俄亥俄州立大學與JPL聯合開發了基於BA和VO集成的長距離火星車定位技術，在保持高精度的前提下顯著提高了自動化程度，並在銀湖沙漠進行了測試。
地面影像與高解析度衛星影像對比
儘管VO和BA方法的定位精度遠高於航跡推算法，它們在長距離的定位中仍然不可避免地有誤差累積。即使BA 的定位精度為0.2%，10km的行駛路線也會產生20m的累積誤差。可以套用高解析度的衛星圖像消除僅利用地面感測器和圖像進行火星車定位的誤差累積。目前，火星衛星圖像的解析度越來越高，如HiRISE圖像解析度為30cm，為實現這一目的提供了有利條件。可以用火星車圖像產生的正射影像同高解析度圖像疊加對比；在多個HiRISE圖像中觀測到了火星車，可以直接定位消除累積誤差；對於勇氣號著陸區多石塊的特點，可以通過匹配分別從火星車圖像和HiRISE圖像中提取的石塊實現火星車在衛星圖像上的定位。在業務化運行過程中，這些方法基本上是以手工方式實現的。中科院遙感所的行星遙感製圖與導航定位研究組，近期在地面與衛星影像集成的探測車定位方面取得了積極的進展，實現了地面影像與高解析度衛星影像的自動配準和和火星車定位，定位精度優於衛星圖像一個像素(HiRISE圖像30cm)。
中國首個火星探測車設計圖公布
2016年8月23日，“中國火星探測工程名稱和圖形標識全球徵集活動啟動儀式暨新聞發布會”在京召開。發布會上，官方首次公布了火星探測器和火星車的外觀設計造型。火星是太陽系中離地球較近的行星，且自然環境與地球最為類似，是人類開展行星際探測的首選目標。中國首次火星探測任務將於2020年實施，一步實現“繞、著、巡”的目標。
國家國防科工局探月與航天工程中心2016年8月23日發布中國第一個火星探測器和火星車外觀設計構型圖。中國首次火星探測任務工程火星探測器總設計師孫澤洲介紹，和玉兔號月球車一樣，火星車的能源獲得依靠太陽能。由於火星光照強度小，火星大氣對陽光有削減作用，火星車能源供給比月球車更困難，火星車比“玉兔”多設計出兩個“翅膀”。探測器將搭載用於火星全球遙感的相機、探測火星地下淺層結構的雷達等13台科學載荷，對火星的形貌、土壤、環境、大氣、水冰分布、物理場和內部結構進行探測。
“著陸巡視器的著陸點初步定在火星北緯低緯度的區域。”中科院院士、火星探測器系統顧問葉培建說，著陸巡視器與環繞器分離後進入火星大氣，經氣動外形減速、降落傘減速和反推發動機動力減速，最後下降著陸火星表面，火星車駛離著陸平台，開始表面巡視探測。環繞器在軌道上進行科學探測，並為火星車提供對地數據中繼服務。
中國首次火星探測任務工程總設計師張榮橋說，火星距離地球最遠達4億公里，2020年中國首次火星探測一次實現“環繞、著陸、巡視”3個目標，這是其他國家第一次實施火星探測從未有過的，面臨的挑戰也是前所未有。
