NASA 的技术奇迹赋予“毅力号”火星车更大自主权

美国 - 艾赫巴里通讯社

NASA 的技术奇迹赋予“毅力号”火星车更大自主权

美国国家航空航天局（NASA）和喷气推进实验室（JPL）正在为火星车开发更强的自主能力，旨在使它们能够更独立、更高效地探索红色星球。目前在火星上运行的“好奇号”（MSL）和“毅力号”火星车都具备部分自主能力，“毅力号”在这一方面表现出更先进的功能。事实上，增强自主导航能力的开发是“毅力号”任务参数中明确包含的核心目标。

两辆火星车都使用 AutoNav（自动导航）系统进行导航。“毅力号”的 AutoNav 实现被认为更强大、更先进。在其火星上的第一年，它行驶了约 17.7 公里，其中 AutoNav 在评估和绘制其约 88% 的路线方面发挥了关键作用。然而，实现更高水平的自主导航的主要障碍一直是精确的定位问题。火星车自主行驶的距离越长，其在火星表面精确位置的累积误差就越大。如果没有对其位置进行准确的自我评估，火星车就难以可靠地规划和执行其预定路线，实际上就变成了“迷失”。这呼应了亨利·戴维·梭罗的名言：“只有当我们迷失时，我们才开始了解自己”，强调了任何探索者自我意识的关键性。

为了克服这些障碍，“毅力号”的自主运行是由三个关键系统的协同组合来协调的：AutoNav、AEGIS 和 OBP。AutoNav 利用车载图像和预先存在的地图来规划最佳行驶路径。AEGIS（用于收集更多科学数据的自主探索）利用火星车自身拍摄的广角图像，自主识别并选择其精密 SuperCam 仪器的科学观测目标。第三个组件 OBP（车载规划器）负责以节约火星车能源的方式安排计划中的操作。这三个系统的集成功能共同赋予“毅力号”显著增强的操作自主性，所有这些都经过精心设计，旨在最大限度地获取科学数据。

“毅力号”在实现更大自主性方面的旅程，随着火星全球定位（Mars Global Localization - MGL）系统的开发和实施，又迈出了重要一步。火星上缺乏类似 GPS 的系统（至少目前还没有），这意味着在异星地形上精确确定火星车的位置，是实现更大自主驾驶距离以及获得更好科学成果的一个根本性障碍。这项开创性的系统在题为“Censible: A Robust and Practical Global Localization Framework for Planetary Surface Missions”的会议论文中有详细介绍。

该任务的机器人操作首席工程师、JPL 的 Vandi Verma 解释说：“这就像给火星车装上了 GPS。现在它可以确定自己在火星上的位置了。”她进一步解释说：“这意味着火星车将能够自主行驶更长的距离，从而我们可以探索更多行星并获得更多科学成果。而且，它几乎可以被任何快速行驶的火星车使用。”这一声明不仅强调了 MGL 对“毅力号”的变革潜力，也对其未来的行星探索任务具有重要意义。

在 MGL 之前，“毅力号”最长的自主行驶距离记录是三天内完成的 699.9 米。其位置感知中固有的不确定性阻碍了进一步延长此距离。根本问题在于，火星车自主行驶的距离越长，其位置的不确定性就越大。任务数据的可视化说明了这一现象：当“毅力号”尝试穿越狭窄通道进行长距离行驶时，如果没有 MGL，随着时间的推移，累积的位置不确定性（以蓝圈显示）会显著增加。这种不断增长的不确定性扩大了其路线上已知危险（红多边形和圆圈）的潜在影响范围，实际上使火星车“迷失”并无法在没有人工干预的情况下继续前进。相反，包含 MGL 的分析显示，位置误差和危险范围明显减小，使火星车能够在没有外部指导的情况下行驶得更远。

在以前的导航模式下，“毅力号”会一直行驶，直到累积的位置误差变得太大而无法安全行驶。此时，它会拍摄一张 360 度的全景图像。地球上的任务控制人员随后会手动将此图像与全球地图进行匹配，以重新定位火星车。“人类必须告诉它，‘你没有迷路，你是安全的。继续前进’，”Verma 说。“我们知道，如果我们解决了这个问题，火星车每天就能行驶得更远。”

新的 MGL 方法代表了重大升级。虽然它仍然利用火星车当前位置的 360 度全景图，但它消除了对人工干预的需求。该系统采用一种算法，将轨道飞行器精心生成的车载地形图与“毅力号”相机捕获的全景图像进行比较。这个复杂的流程使火星车能够自主地确定其精确位置，精度可达约 10 英寸，通常只需两分钟。这项能力在 2024 年 2 月的两次运行期间得到了成功验证。MGL 能够大幅增加每日行驶距离的潜力是巨大的，考虑到“毅力号”的自主科学观测能力，它有望带来可观的科学回报。

MGL 的开发部分得益于一个强大的微处理器的可用性，该处理器先前专门用于与“机智号”（Ingenuity）直升机通信。在“机智号”于 2024 年 1 月成功完成任务并随后退役后，该处理能力便可供“毅力号”用于其导航系统。这种技术协同作用表明，一个领域太空探索的进步如何能为其他领域带来连锁效益。

正如支持性会议论文的作者所指出的，MGL 系统“使火星车能够被指令以潜在的无限距离行驶，而无需从地球进行定位。”此外，他们建议该系统还可以应用于“超越‘毅力号’，绝对位置估计是关键”，适用于许多其他机器人地面任务，预示着一个更独立、更长远的行星探索的未来。

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