用于火星及更远探测的核光谱学

使用CubeSat展开的滑翔机进行行星探测

Planetary Exploration Using CubeSat Deployed Sailplanes

对火星等类地行星的探索是使用轨道飞行器、着陆器和漫游车进行的。轨道飞行器上的照相机和仪器使得能够以低空间分辨率对火星进行全球测绘。火星科学实验室（MSL）等着陆器和漫游者携带最先进的仪器来表征小的局部区域。这在勘探能力上留下了一个关键的差距：绘制数百公里范围内的区域。在本文中，我们扩展了我们的工作立方卫星大小的滑翔机与不同的飞机配置和有效载荷的详细设计研究，确定通用的设计原则，自主滑翔机为基础的表面侦察和科学应用。我们进一步分析了潜在的机翼部署技术，包括传统的充气与硬化膜，使用复合充气，快速凝固泡沫。我们使用火星区域大气建模系统（MRAMS）对火星大气和可能的飞行模式进行了详细的建模，为NASA 2020年的火星车着陆点提供了逼真的大气条件。我们重新审视了火星滑翔机概念的可行性，将其与以前提出的解决方案进行了比较，并确定了为高海拔地面测试建立实验室原型的途径。最后，我们的工作将分析这项技术对探索其他有大气层的行星体的影响，包括金星和泰坦。

火星探测充气滑翔机姿态控制

Attitude Control of an Inflatable Sailplane for Mars Exploration

利用一系列着陆器、漫游者和轨道飞行器，对火星的探索已经成为可能。火星勘测轨道飞行器（MRO）上的HiRise相机拍摄了覆盖火星表面大片区域的高分辨率图像。然而，轨道图像缺乏从现场勘探中获得的深度和丰富的细节。火星科学实验室和即将到来的火星2020等漫游者携带最先进的科学实验室进行原位探索和分析。然而，它们只能在整个任务过程中覆盖火星的一小部分区域。我们在成像、提供服务和探索未来人类任务所需的火星表面大片区域的能力方面存在着关键的能力差距。一个很有希望的解决方案是开发一种侦察滑翔机，每小时飞行数十至数百公里。该飞机将配备成像仪，提供现场景深，覆盖范围与MRO等轨道资产相当。一个主要的挑战是，火星的二氧化碳大气层很薄，海平面的压力只有地球的1%。为了补偿，飞机需要高速飞行，并有足够大的机翼面积来产生所需的升力。充气机翼是一个很好的选择，因为它们具有最低的质量，并可用于改变形状（变形）取决于空气动力学或控制要求。在本文中，我们提出了我们的设计，能够部署从12 U立方体卫星平台的充气帆飞机。气动展开机构确保高度紧凑的装载体积，并最大限度地减少复杂性。

火星：新的见解和未解决的问题

Mars: new insights and unresolved questions

火星探索激发了对地外生命的探索，空间技术的发展，以及人类任务和居住地的设计。在这里，我们寻求新的见解，并提出有关火星的自然历史，可居住性，机器人和人类探索，行星保护，以及对人类社会的影响尚未解决的问题。主要的观察和发现包括：（1）早期火星大气层的高逃逸率，包括水的流失，影响了现在的可居住性;（2）火星上假定的化石可能是模糊的生命生物标志物;（3）人类居住造成的微生物污染是不可避免的;（4）根据火星目前的行星保护类别，机器人有效载荷应该描述人类居住之前任何生命形式的火星当地环境。一些悬而未决的问题是：（1）对地球半球二分法的解释是正确的;（2）深穿透断层在多大程度上将地下液体输送到火星表面;（3）由大气过程形成的碳酸盐的丰度如何;（4）火星陨石的什么性质可以用来限制它们的来源位置;（5）有机大分子的起源;（6）火星上有人居住;（7）火星上有没有人居住。（7）如何消除由来自地球的微生物污染物引起的潜在误报;（8）如何确保人类和微生物形成一个稳定和良性的生物圈;（9）人类应该从生物中心主义的观点（保护所有生物）或扩张空间居住的生物中心主义观点与假定的地外生命联系起来？对火星演化的研究可以揭示太阳系外行星的可居住性。此外，火星探索可以推动未来的政策发展，并确认（或质疑）人类在空间居住的可行性和/或程度。

金星上的人类辅助科学--新人类航天时代的金星探测

Human Assisted Science at Venus: Venus Exploration in the New Human Spaceflight Age

一些前往火星的人类任务轨道包括飞越金星。这些飞越提供了实践深空人类操作的机会，并提供了许多安全返回地球的选择，然后再进行更长和更低节奏的火星飞行。金星飞掠作为专门的火星任务的一部分，也使人类能够对第二颗行星进行科学研究。现在是开始协调这种通过金星从地球到火星的任务的时候了

用于月球和火星上洞穴和熔岩管探测的飞行跳跃式坑式机器人

Flying, Hopping Pit-Bots for Cave and Lava Tube Exploration on the Moon and Mars

轮式地面机器人在探索洞穴、熔岩管和天窗等极端环境时受到限制。小型机器人通过跳跃、飞行和滚动来利用非传统的机动性，可以克服许多粗糙度的限制，从而扩大月球和火星上感兴趣的探测地点。在本文中，我们介绍了一个网络的3公斤，0.30米直径的球机器人（坑机器人），可以飞，跳和滚动使用机载微型推进系统。这些坑机器人可以从着陆器或大型漫游者部署。每个机器人都配备了智能手机大小的计算机，立体相机和激光测距仪，以执行导航和地图绘制。球形机器人可以携带1公斤的有效载荷或执行样品返回。我们的研究表明，月球上的飞行距离为5公里，飞行时间为0.7小时。

Agent Mars: 多智能体模拟用于多行星生命探索与定居

Agent Mars: Multi-Agent Simulation for Multi-Planetary Life Exploration and Settlement

Agent Mars通过多智能体模拟框架，研究多行星生命探索中的协调机制与性能评估。

WatSen：用于火星探测的原型中红外光谱仪和显微镜组件的设计和测试

WatSen: Design and testing of a prototype mid-IR spectrometer and microscope package for Mars exploration

我们已经设计并构建了一个紧凑的实验板原型仪器WatSen：一个组合ATR中红外光谱仪，定焦显微镜和湿度传感器。该仪器包是封闭在一个坚固的圆柱形外壳只有26毫米的直径。该仪器的功能、可靠性和性能在一个模拟火星表面条件的环境室中进行了测试。光谱仪的有效波长范围为6.2 - 10.3微米，分辨率Δ波长/波长= 0.015。这允许检测硅酸盐和碳酸盐，包括水（冰）存在的指示。获得了直径小于1 mm的颗粒簇的光谱，其与使用商业系统获得的相同材料的光谱相当。显微镜聚焦通过钻石ATR晶体。可以获得光谱分析的颗粒的彩色图像，分辨率约为20微米。

月球和火星极端环境探测跳跃机器人的自动多学科设计和控制

Automated Multidisciplinary Design and Control of Hopping Robots for Exploration of Extreme Environments on the Moon and Mars

太阳系探索的下一个前沿将是针对极端和崎岖环境的任务，如月球、火星和冰冷卫星的洞穴、峡谷、悬崖和陨石坑边缘。这些环境是太阳系早期形成的时间胶囊，并将为我们早期的太阳系如何让位于现在的行星和卫星提供重要线索。这些地点还将为这些环境过去和现在的可居住性提供重要线索。目前的着陆器和漫游车无法进入这些高度关注的领域，因为精确着陆技术有限，需要大型和复杂的科学仪器，以及不惜一切代价将风险降到最低的任务保证和操作文化。我们过去的工作已经显示了使用多个球形跳跃机器人（称为SphereX）探索这些极端环境的优势。我们之前的工作是基于对SphereX机器人的人类设计基线设计进行探索。然而，SphereX的设计是一项复杂的任务，涉及大量的设计变量和多个工程学科。在这项工作中，我们建议使用自动化多学科设计和控制优化（AMDCO）技术，以找到接近最佳的设计解决方案，在质量，体积，功率和控制的SphereX不同的任务场景。

独特的Spectroscopy和使用JWST的火星成像

Unique Spectroscopy and Imaging of Mars with JWST

在本文中，我们总结了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）对火星进行观测的主要能力。JWST在日地拉格朗日点（L2）的独特有利位置将允许对整个可观测圆盘进行采样，从而能够以极好的空间分辨率（2 μm时为0.07弧秒）研究短期现象、日变化过程（横跨东西轴）和两半球之间的纬度变化过程（包括季节效应）。在0.7-5 μm光谱区域内，NIRSpec的最大分辨能力为2700，在1-1.25 μm范围内的最大分辨能力为8000。NIRCam将在4.3 μm处成像，并使用两个接近2 μm的窄滤光片，而夜侧将使用几个0.5至2 μm的滤光片。这样一套功能强大的仪器将成为火星探索和表征的主要资产。一些科学案例包括绘制水的D/H比图，通过对4.3微米处的非LTE CO $_2$发射的特性进行研究，通过对1.27微米处的O $_2$夜光的观测研究化学输运，对可变性尘埃和水冰云进行高节奏绘图，以及对火星表面的痕量物种和水合特征进行灵敏搜索。对仪器进行飞行中的特性鉴定可能会带来更多的科学机会。

轨道服务器能否提供火星全域边缘计算？

Can Orbital Servers Provide Mars-Wide Edge Computing?

针对火星表面部署计算资源成本高昂的问题，本文提出由轨道服务器组成火星计算星座，借鉴近地轨道边缘计算概念实现火星全域网络与计算覆盖，并分析应用、可行性与未来研究方向。

火星极端环境探测用SphereX机器人GNC

GNC of the SphereX Robot for Extreme Environment Exploration on Mars

轮式地面机器人在探索洞穴、熔岩管和天窗等极端环境时受到限制。小型机器人可以通过跳跃、飞行或滚动来利用非传统的机动性，从而克服这些限制。多个机器人作为一个团队运行提供了显着的好处比一个单一的大型机器人，因为它们不容易出现单点故障，使分布式命令和控制，并使并行执行任务。这些机器人可以补充大型漫游车和着陆器，帮助探索无法进入的地点，获取样本和规划未来的探索任务。我们的机器人，SphereX，质量为3公斤，球形，包含相当于当前智能手机的计算机。它们包含一系列制导、导航和控制传感器和电子设备。SphereX包含1公斤科学有效载荷的空间，包括样品返回。我们在这一领域的工作已经认识到需要小型化的化学流动系统，提供动力和推进。我们的研究探索了微型火箭的使用，包括固体火箭，双推进剂，包括RP 1/过氧化氢和聚氨酯/高氯酸铵。这些推进选项可在火星上提供最长10分钟的飞行时间。飞行，特别是悬停消耗大量燃料;因此，我们一直在开发我们的机器人，以执行弹道跳跃，使机器人能够有效地进行长距离旅行。正在开发的技术，使中途修正在弹道跳。使用多个相机，可以从运动模糊中重建图像场景。因此，我们的方法是在机器人进行弹道跳跃时启用照片映射。同样的图像也将用于导航和路径规划。使用我们提出的设计方法，我们正在开发低成本的方法，使用小型机器人网络进行行星体的表面探索。

Ethical Exploration and the Role of Planetary Protection in Disrupting Colonial Practices

We recommend that the planetary science and space exploration community engage in a robust reevaluation concerning the ethics of how future crewed and uncrewed missions to the Moon and Mars will interact with those planetary environments. This should occur through a process of community input, with emphasis on how such missions can resist colonial structures. Such discussions must be rooted in the historical context of the violent colonialism in the Americas and across the globe that has accompanied exploration of Earth. The structures created by settler colonialism are very much alive today, …

自主火星探测车模块用于土壤采样和生命成分分析

Autonomous Mars Rover Module for Soil Sampling and Life Component Analysis

本研究提出了一种自主火星探测车模块，用于土壤采样和生命成分检测，通过整合机械和生化系统实现外星生命检测的可行性验证。

Cyborg Astrobiologist：在西班牙Rivas Vaciamadrid和犹他州火星沙漠研究站的两个移动探测系统上测试新颖性检测算法

The Cyborg Astrobiologist: Testing a Novelty-Detection Algorithm on Two Mobile Exploration Systems at Rivas Vaciamadrid in Spain and at the Mars Desert Research Station in Utah

在以前的工作中，已经开发了两个平台来测试机器人行星探索的计算机视觉算法（McGuire等人，2004 b，2005; Bartolo等人，2007）。可穿戴计算机平台已在西班牙的地质和天体生物学现场（Rivas Vaciamadrid和Riba de Euste）进行了测试，手机相机已在马耳他的地质现场进行了测试。在这项工作中，我们（i）应用Hopfield神经网络算法进行基于颜色的新颖性检测，（ii）在可穿戴计算机平台上集成一个现场数字显微镜，（iii）在Rivas Vaciamadrid使用数字显微镜测试这种新颖性检测，（iv）为手机相机平台开发蓝牙通信模式，以便允许访问现场的移动处理计算机，以及（v）在犹他州的火星沙漠研究站测试连接到上网本计算机的具有蓝牙功能的手机摄像头上的新奇检测。这种系统工程和现场测试一起使我们能够开发一种实时计算机视觉系统，该系统能够在半干旱沙漠环境中获得的一系列图像中识别地衣。我们获得了犹他州和西班牙地质露头的图像序列，包括各种岩石类型和颜色，以测试该算法。该算法通过颜色鲁棒地识别先前观察到的单元，同时只需要单个图像或几个图像就可以将颜色学习为熟悉的颜色，这证明了其快速学习能力。

火星通信：过去、现在与未来

Communications for the Planet Mars: Past, Present, and Future

本文综述火星任务及近地、星际、近行星与火星表面3D信道建模研究，并通过Wireless Insite仿真给出路径损耗等信道参数，展望未来火星通信技术。

MarsRetrieval: 用于火星尺度地理空间检索的视觉-语言模型基准测试

MarsRetrieval: Benchmarking Vision-Language Models for Planetary-Scale Geospatial Retrieval on Mars

MarsRetrieval提出了一种用于评估视觉-语言模型在火星地理空间发现中检索能力的基准测试，强调领域特定微调对可推广发现的重要性。

从近地轨道之外、月球与火星展望晚型星物理学

Perspectives on the Physics of Late-Type Stars from Beyond Low Earth Orbit, the Moon and Mars

本文探讨借助ESA载人及机器人探索计划，在近地轨道之外、月球与火星开展长期和紫外观测并部署恒星成像仪，以推进晚型星结构与动力学演化研究。

使用气凝胶太阳帆实现低质量载荷到火星及更远地区的超快转移

Ultrafast transfer of low-mass payloads to Mars and beyond using aerographite solar sails

本研究利用气凝胶太阳帆实现低质量载荷快速转移至火星及星际空间，通过模拟不同发射场景，展示了在数天内达到高速飞掠火星及在数年内到达日球层顶的可行性。

ALMA2040：金星与火星的亚毫米波临边探测

ALMA2040: Submillimeter-wave Limb Sounding of Venus and Mars

ALMA2040将结合高分辨率亚毫米波外差光谱与极高角分辨率，实现金星、火星的亚毫米波临边探测，可开展三维大气研究，衔接航天器观测与长期大气时空演化表征。

行星地球类似物图书馆项目：3。用MicrOmega表征样品

Planetary Terrestrial Analogues Library Project: 3. Characterization of Samples with MicrOmega

PTAL（行星地球类似物库）项目旨在建立和利用一个涉及多种分析技术的数据库，以帮助描述从火星开始的陆地天体的矿物学演变。从选定的地点收集了大约100个天然地球岩石样本，以收集火星地质的各种类似物，从火山到沉积起源，具有不同程度的蚀变。所有样品都将在PTAL项目内用不同的矿物学和元素分析技术进行表征，包括在火星表面实际和未来仪器上采用的技术（近红外光谱、拉曼光谱和激光诱导击穿光谱）。本文介绍了ExoMars MicrOmega备用仪器获得的近红外测量和解释。MicrOmega是一种近红外高光谱显微镜，安装在ExoMars漫游者Rosalind Franklin的分析实验室中。所有PTAL样品均已使用专用装置用MicrOmega观察至少一次。对于所有PTAL样品，提供了数据描述和解释。对于一些选定的例子，RGB图像和光谱提出了一个很好的。通过近红外光谱和拉曼光谱表征的比较进行了讨论的一些样品。特别是，MicrOmega的光谱成像能力允许检测矿物成分和潜在的有机分子，这是其他单点技术无法实现的。此外，它能够估计各种矿物物种的空间分布的不均匀性。MicrOmega/PTAL数据应支持MicrOmega/Rosalind Franklin仪器进行的未来观察和分析。

用于未来人类探索的火星 regolith 地球化学危害评估

Geochemical Hazard Assessment of Martian Regolith for Future Human Exploration

本研究针对火星 regolith 暴露开展多途径定量健康风险评估，明确 Cr、Co 为关键非致癌危害、Cr 为主要致癌风险，提出需 95% HEPA 级过滤结合化学吸附以保障火星任务安全。

使用鲁棒的高级建模和调度系统使宇航员能够自我调度：火星模拟任务期间的评估

Enabling Astronaut Self-Scheduling using a Robust Advanced Modelling and Scheduling system: an assessment during a Mars analogue mission

人类长期探索任务（LDEM）提出了一些技术挑战。本文讨论了机组人员的自主权问题：随着距离的增加，通信延迟和限制往往会阻止宇航员被实时的地面控制的监视和支持。最终，未来的行星任务将必然需要某种形式的宇航员自我调度。我们研究的计算机决策支持工具的使用模拟宇航员的船员，在火星沙漠研究站（MDRS，火星协会）在犹他州进行的火星模拟任务。所提出的工具，称为Romie，属于鲁棒先进建模和调度（RAMS）系统的新类别。它允许机组成员（i）直观地模拟他们的科学目标和约束，（ii）计算接近最佳的操作时间表，同时考虑到不确定性，（iii）监测过去和当前活动的执行，以及（iv）修改科学目标/约束w.r.t.不可预见的事件和机会主义科学在这项研究中，我们经验性地测量了宇航员，谁是新手规划者，在使用这样的工具时，在模拟火星行星栖息地的现实假设下进行自我调度。

用于行星导航地图的立体视觉图像处理：半全局匹配与超像素分割

Stereovision Image Processing for Planetary Navigation Maps with Semi-Global Matching and Superpixel Segmentation

本文提出结合半全局匹配与超像素细化的立体视觉方法，生成更精确一致的火星地形导航地图，减少块效应和空洞，提升自主导航安全性。

行星地球类似物的PTAL多光谱数据库：拉曼数据综述

PTAL multi-spectral database of planetary terrestrial analogues: Raman data overview

陆地类似物的多元分析研究是加深对火星和其他地外天体地质和环境演化认识的有效策略。尽管LIBS、NIR和Raman技术在空间探索领域的重要性日益增加，但缺乏一个基于网络的平台，可供免费访问广泛的地面模拟材料多光谱数据库。行星地球天文图书馆项目旨在通过开发和提供免费的网络访问LIBS，近红外和拉曼数据来满足这一关键需求，这些数据来自94个以上的陆地类似物，根据其与火星地质背景的一致性进行选择。在此框架内，本手稿为科学界提供了超过4500个拉曼光谱的完整概述，这些拉曼光谱被收集用于PTAL数据库。通过补充使用实验室和航天器模拟器系统获得的拉曼数据证实了这种光谱技术在探测样品的主要和次要矿物相方面的有效性，后者对于识别火星和其他行星上可能发生的地质过程至关重要。鉴于即将进行的火星任务，通过RLS ExoMars模拟器获得的结果提供了对RLS光谱仪可能产生的科学成果的宝贵见解，该光谱仪将很快作为ExoMars漫游车有效载荷的一部分降落在火星上。

火星探测器的地震响应：对未来行星地震学的影响

Seismic response of the Mars Curiosity Rover: Implications for future planetary seismology

地震测量是探索行星内部的一个重要工具，但由于在表面放置敏感仪器的复杂性，可能不会包括在飞行任务中。为了帮助解决这一问题，我们评估的保真度地面运动的记录由放置在甲板上的工程模型的火星科学实验室的仪器相比，放置在地面上直接下方的相同的仪器。记录的比较显示，两种仪器都清晰地记录了大地震。仪器之间的转换函数表明甲板仪器受到着陆器共振频率的影响，并且不能忠实地记录这些频率或更高频率的地面运动。此外，在由于空调循环的强气流期间，在1 Hz附近观察到额外的退相干。然而，在2秒和30秒之间的重要地震带中，始终可以观察到极好的相干性和接近1的转换函数，并在夜间空调不运行时一直延伸到着陆器共振。这表明，甲板上安装的地震仪器可能能够提供有价值的科学回报，而不需要额外的部署复杂性。

行星探索3.0：软件定义、彻底适应性空间系统的路线图

Planetary Exploration 3.0: A Roadmap for Software-Defined, Radically Adaptive Space Systems

针对外太阳系探索需求，提出基于软件定义空间系统（SDSS）的行星探索3.0新范式，通过单次任务实现对未访问天体的自主适应性探索，涵盖系统工程、软件技术及智能任务概念。

用于崎岖地形行走的球形行星机器人

Spherical Planetary Robot for Rugged Terrain Traversal

轮式行星漫游车，如火星探测漫游车（MER）和火星科学实验室（MSL）提供了前所未有的火星表面的详细图像。然而，这些漫游者体积庞大，成本高昂，因为它们需要携带复杂的仪器和科学实验室。我们建议开发低成本的行星漫游车，其大小和形状都像哈密瓜，可以从更大的漫游车上部署。名为SphereX的漫游车质量为2公斤，是球形的，完整的，并包含一个跳跃机制，可以跳过崎岖的地形。小型低成本漫游车是对大型漫游车的补充，特别是在穿越崎岖地形或滚下峡谷、悬崖或火山口以获取图像和科学数据时。虽然对于这些小型机器人来说，这可能是一次单程旅行，但它们可以在战术上用于获得高回报的科学数据。该机器人配备了一对立体摄像机来执行视觉导航，并为科学有效载荷提供了空间。在本文中，我们分析了一个实验室原型的设计和开发。结果表明，一个有前途的途径发展的领域系统。