毅力号火星车刷新火星自主驾驶纪录

毅力号火星车在火星自主驾驶方面创造了惊人纪录，90%的行驶路程无需人工干预，远超此前火星车的表现。这一突破性成就得益于其搭载的增强自主导航系统ENav。

火星自主导航的挑战与机遇

在以往的火星任务中，好奇号和机遇号火星车主要依赖来自数百万英里外地球的人工指令来安全导航火星地形。相比之下，毅力号几乎完全自主地穿越这片布满巨石的外星土地。

截至火星第1312天（2024年10月28日），好奇号仅完成约6.2%的自主行驶，而毅力号已完成约90%的自主行驶。毅力号能够实现这一壮举，关键在于其专门设计的自主驾驶算法——增强自主导航系统ENav。

火星自主导航既有优势也面临严峻挑战。积极的一面是，火星上几乎没有移动的物体。岩石和砂砾斜坡虽然是可怕的障碍，但保持静止，为火星车的计算和路径规划提供了一致性和可预测性。另一方面，火星很大程度上是未知地形。

NASA喷气推进实验室机器人地面移动组负责人小野雅寻表示："这种巨大的不确定性是主要挑战。"

虽然太空中的火星勘测轨道器提供了一些图像，但这些图像的分辨率通常不足以供火星车进行地面导航。去年12月，NASA工程师首次测试了一种导航技术，该技术使用基于Anthropic人工智能的模型来分析轨道器图像并生成路径点，以实现更完整的自动化。

但在目前的大部分导航中，毅力号必须依赖自己拍摄的图像，分析这些图像以评估数千条不同路径，并选择不会导致自身毁灭的正确路线。关键是，它必须用相当于iMac G3的计算能力来完成这一切，这是苹果公司在1990年代末销售的计算机。

这是因为较老的CPU可以进行辐射加固处理，使其能够抵御火星上极端的太阳辐射和宇宙射线。而拥有更强计算能力的新型CPU无法在如此极端的条件下工作。因此，研究人员必须使用现有资源——1990年代的计算机核心。

ENav算法的工作原理

考虑到有限的计算资源，ENav算法被战略性地设计为仅在具有挑战性的地形上驾驶时才进行最繁重的计算。它通过分析周围环境图像，评估约1700条可能的前进路径，通常在距离火星车当前位置6米范围内。评估行驶时间和地形粗糙度等因素后，对可能的路径进行排名。最后，它仅对少数几条排名靠前的潜在路径运行计算量大的碰撞检查算法ACE（近似间隙估计）。

毅力号于2021年2月18日登陆火星。研究显示，火星车最初在火星前64天采用强人工导航监督，然后主要使用ENav前往主要探索目标：数十亿年前流入杰泽罗陨石坑的古河流形成的三角洲。科学家认为这里可能是寻找过去外星生命证据的理想地点。

在简要探索着陆点西南方向区域后，毅力号以每火星日平均201米的速度快速绕过沙丘逆时针向古河流三角洲进发。在仅仅24个火星日的驾驶过程中，火星车行驶约5公里到达三角洲山麓。当月95%的驾驶都使用自主驾驶模式完成，创造了火星自主驾驶的前所未有记录。

突破性的驾驶性能

过去的火星车如好奇号必须停下来"思考"路径后才能前进。小野解释说："这是好奇号的主要速度障碍，也是它自主驾驶如此缓慢的原因。"

相比之下，毅力号能够边思考边驾驶。小野说："有时毅力号必须停下来思考，特别是当它无法快速找出安全路径时。但大多数时候，特别是在简单地形上，它可以不停地继续驾驶。这使其自主驾驶速度提高了一个数量级。"

机遇号此前保持火星自主驾驶记录，单个火星日行驶109米。但在2023年4月3日，毅力号创造了新纪录，单个火星日自主行驶331.74米（总计347.69米）。

小野表示，调优ENav算法需要大量工作，但他对其性能感到满意。他还强调，如果人类想要继续探索更深的太空，持续推进自主导航技术至关重要，因为地球与火星车和其他航天器的通信将变得越来越困难。

小野说："太空系统的自动化是我们必须走的不可阻挡的方向，如果我们想要探索更深的太空。这是我们必须走的方向，以推动太空探索的边界和前沿。"

Q&A

Q1：毅力号火星车的自主驾驶能力有多强？

A：毅力号火星车创造了火星自主驾驶的惊人纪录，90%的行驶路程无需人工干预。相比之下，好奇号火星车仅完成约6.2%的自主行驶。毅力号还创造了单日自主驾驶距离纪录，在2023年4月3日单个火星日自主行驶331.74米。

Q2：ENav增强自主导航系统是如何工作的？

A：ENav系统通过分析周围环境图像，在距离火星车6米范围内评估约1700条可能的前进路径。它根据行驶时间和地形粗糙度等因素对路径进行排名，然后仅对少数几条排名靠前的路径运行计算量大的碰撞检查算法，实现边思考边驾驶。

Q3：火星车为什么只能使用1990年代的计算机技术？

A：火星车必须使用相当于iMac G3的计算能力，这是因为较老的CPU可以进行辐射加固处理，使其能够抵御火星上极端的太阳辐射和宇宙射线。而拥有更强计算能力的新型CPU无法在如此极端的条件下工作，因此研究人员只能使用1990年代的计算机核心。