NASA 的技术创新赋予“毅力号”火星车更大自主权

美国 - 艾赫巴里通讯社

NASA 的技术创新赋予“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）正不懈地拓展红色星球机器人探索的边界，重点致力于提升其火星探测器的操作自主性。“毅力号”（Perseverance）探测器，作为目前火星上最先进的机器人探险家，正处于这些进步的最前沿，其核心任务设计就是大幅提升其自主导航能力。尽管其前身 MSL “好奇号”（Curiosity）探测器也具备一定程度的自主性，但“毅力号”凭借更先进、更强大的系统而脱颖而出。

两款探测器都利用了名为 AutoNav 的自主导航系统。然而，“毅力号”的 AutoNav 版本在功能上更为强大和完善，使其能够更有效地评估和规划其行驶路线。在其登陆火星的第一年里，“毅力号”共行驶了约 17.7 公里，其中 AutoNav 在评估和指导其行驶路线方面发挥了关键作用，覆盖了约 88% 的行程。这种自主行驶能力对于加快探索步伐和最大化收集到的科学数据至关重要。

尽管取得了这些进展，但实现更高水平的自主导航仍然面临一个主要障碍，即精确的定位问题。探测器自主行驶的距离越长，其在火星表面精确定位自身位置的误差就越大。这种不确定性直接影响其规划安全路线的能力。在没有精确位置信息的情况下，探测器实际上会“迷失方向”，阻碍其前进，并需要人类干预来纠正其轨迹。

为了克服这一关键障碍，“毅力号”集成了三个主要系统来增强其自主操作能力：AutoNav、AEGIS 和 OBP。AutoNav 利用现有的图像和地图来规划路线。AEGIS（Autonomous Exploration for Gathering Increased Science，即“自主科学探测”）则利用探测器上广角相机拍摄的图像来识别“毅力号”的 SuperCam 仪器需要探测的科学目标。OBP（OnBoard Planner，即“板载规划器”）系统负责管理和调度操作，以优化能源消耗。这些系统的协同组合赋予了“毅力号”前所未有的操作自主性，最终目标是获取最大的科学回报。

随着火星全球定位（Mars Global Localization - MGL）系统的开发，“毅力号”的自主性又迈出了重要一步。由于火星上目前没有类似 GPS 的系统，精确确定探测器在表面的位置一直是实现更高自主性和改进科学成果的主要障碍。这项创新系统在题为“Censible: A Robust and Practical Global Localization Framework for Planetary Surface Missions”（Censible：行星表面任务的稳健实用的全球定位框架）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，来自 JPL 的 Vandi Verma 将该系统比作“赋予了探测器 GPS 功能”。她进一步解释说：“现在它可以自行确定在火星上的位置了。”这意味着探测器将能够进行更长的自主行驶，从而能够更广泛地探索行星并收集更多有价值的科学数据。至关重要的是，MGL 系统被设计成具有适应性，并可能被几乎任何为快速、长距离行星表面旅行而设计的其他探测器所使用。

到目前为止，“毅力号”最长的自主行驶距离为三天内行驶 699.9 米。然而，位置不确定性阻碍了它进一步延长这一距离。自主行驶的距离越长，位置的不确定性就越大，这对探测器的安全构成了风险。附带的图示展示了在没有 MGL 的情况下，穿越狭窄通道进行长距离行驶时，探测器的位置不确定性如何随时间增加。没有该系统，探测器的潜在误差会增加，使其实际上“迷失”，并且在没有人工干预手动将全景图像与全球地图匹配的情况下无法继续前进。

新的 MGL 方法功能要强大得多。虽然它仍然涉及捕捉探测器当前位置的 360 度全景图像，但它消除了对人工干预的需求。该系统利用单色红外图像，这与火星勘测轨道飞行器 (MRO) 拍摄的 HiRISE 图像非常吻合。这些图像与轨道器创建的地形图相结合，由板载算法进行处理，可在短短约两分钟内将探测器的位置精确确定到 10 英寸以内。

这一技术飞跃部分得益于“毅力号”上一个强大的微处理器得以解放。该处理器之前专门用于与“机智号”（Ingenuity）直升机进行通信。“毅力号”的“伙伴” “机智号”取得了非凡的成功，在三年内完成了 72 次飞行，但于 2024 年 1 月因旋翼损坏而结束了任务。随着“机智号”任务的结束，其专用处理能力可用于增强“毅力号”自身的能力，包括 MGL 系统。

该系统已在两天的正常运行中成功测试，展示了其在无需人工协助的情况下显著增加“毅力号”每日行驶距离的潜力。由于“毅力号”还能够以越来越高的自主性进行科学观测，MGL 系统有望带来丰厚的回报。这一进展代表了使机器人探测器能够更广泛、更有效地穿越和勘探行星表面的关键一步，为未来的太空探索任务树立了新的标准。

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