JPL如何保持13岁的好奇号火星车持续进行科学研究

# 让好奇号火星车持续运行的巧妙修复 来源：https://spectrum.ieee.org/curiosity-rover-jpl-mars-science 十三年前的八月，我曾在加州帕萨迪纳的NASA喷气推进实验室（JPL）新闻室蹲守，等着看好奇号火星车（Curiosity rover）能否在下降和天空起重机辅助着陆后幸存。它成功了，而且那场面令人震撼。 自那以后，好奇号（也称火星科学实验室）已经行驶了近37公里，钻探并采样了42块不同的岩石，截至本文发稿，已拍摄了近76.3万张照片。这台机器人在13岁高龄时仍在努力工作，持续取得真正的科学成果，这绝对令人难以置信——不仅火星对机器人来说是一个充满敌意的环境，而且JPL工程师能够执行的唯一维护就是发送非常非常谨慎的软件更新。 尽管如此，JPL的聪明人们还是设法让好奇号保持安全、温暖、可移动，并且持续进行科学研究，尽管它的车轮已经磨损，且每天可用的电量越来越少。其中一位正是亚历山德拉·霍洛威（Alexandra Holloway），她是好奇号工程运营的助理团队主管，她向**IEEE Spectrum**讲述了如何让好奇号继续行驶、它的未来前景如何，以及JPL如何利用这些经验让毅力号（Perseverance）等火星车的性能更强大。 **在火星上过了13年后，好奇号不仅仍在进行科学研究，而且实际上变得更强大，我们对此应该感到多么惊讶？** 一位有着绿色大眼睛和光头的女性 亚历山德拉·霍洛威是喷气推进实验室好奇号火星车工程运营的助理团队主管。 亚历山德拉·霍洛威 **亚历山德拉·霍洛威：** 我感到很惊讶！这种长寿来自于大量的持续工作。不仅仅是因为好奇号制造得坚固耐用，还因为我们不断投入努力，确保它能够继续拥有那么长的寿命。我想到了各种各样的嵌入式系统，从汽车到冰箱，没有哪个能像我们的火星车那样拥有如此长的寿命。这令人难以置信，也令人鼓舞。 **比好奇号年轻九年的毅力号火星车，在硬件和软件上是否有显著不同？** **霍洛威：** 在硬件方面，这两辆火星车实际上非常相似。都使用了RAD 750处理器，并拥有相同大小的内存。然而，毅力号有一个额外的处理器专门用于视觉里程计，这使它能够自主行驶。这种差异反映了它们主要任务设计的不同：毅力号是为长距离行驶而设计的，而好奇号则是一项边行驶边采样为主要目标的任务。因此，毅力号的机载调度能力是为了优化其行驶。事实上，就在去年，毅力号在火星上仅用了大约三年时间就超越了好奇号的行驶距离。 ## 好奇号火星车内存与软件修复 **你能举几个团队为了保持好奇号行驶而进行的重要调整的例子吗？** **霍洛威：** 我最喜欢的例子之一是发生在第2172个火星日（Sol 2172）的一个处理器异常。好奇号有两台计算机，A和B。我们在A上着陆，后来由于早期（第200个火星日）出现NAND内存异常，切换到了B。多年来，我们一直用B正常运行，直到有一天出了问题——B启动了，但无法挂载其驱动器分区。我们之前从未遇到过这种情况。为了保存B的数据，我们切换回了A，而那台A我们已经两千个火星日没信任过了。A也有内存退化的问题，只有2GB可用存储空间，而不是4GB。我们费力地将数据从B转移到A，再下载到地球，最终我们想转移的东西都转移完了，这其实是件好事，因为A随后开始出现与第200个火星日时类似的故障行为——感觉就像它的内存被脱焊了一样。那很糟糕。 我们迅速切换回B，格式化后让它重新工作。问题变成了我们完全无法信任A的内存，但我们仍需要第二台计算机作为"救生艇"，以便在B再次失败时进行诊断和数据传输。我们意识到还有一个地方可以存储数据：存放飞行软件的地方。我们在非常小的内存块中保存了四份飞行软件（两个当前版本和两个旧版本），每个只有32MB。如果我们干脆丢弃旧版本的飞行软件，把那64MB的NOR内存用作A计算机的文件系统呢？ 于是我们就这么做了。这个方案太巧妙了！计算机A运行时使用的内存不到其原始内存的1%，但我们仍然可以在上面运行任务。一个小的任务，但我们不需要放弃任何核心功能。我们仍然可以行驶、管理数据，甚至理论上可以进行科学研究。一切运行正常，只是速度慢很多，规模小很多。那个飞行软件版本甚至被命名为"R-Hope"，因为我们希望它能工作。 **好奇号寿命的限制因素是什么？** **霍洛威：** 我们最大的硬件挑战是车轮磨损。看起来像是在充满沙子和一些岩石的地形上行驶，我们的直觉是我们可以直接碾过这些岩石，它们会被压进沙子里，没什么大不了的。但我们最终看到的是，那些小岩石实际上是埋在沙子里的巨型卵石的尖端，而且非常锋利。我们的车轮在碾压它们时被撕裂，尤其是前轮，所以我们开始倒着行驶。 我们也在监控消耗品。我们考虑执行器移动的次数。这也是一种消耗品。好奇号已经有一段时间没有自拍了，其中一个原因是对关节执行器的损耗很大。我们的机载内存也是一种消耗品，但令人惊讶的是，我们远未达到内存的生命周期。我们最大的消耗品是能源；好奇号有一个放射性同位素热电发生器（RTG），这是一种核电源，随着时间的推移，它的输出功率会下降。 较新的任务使用骁龙处理器，但好奇号的RAD 750是个耗电大户。我们推出的一项效果很好的措施是通过提前完成任务后让计算机休眠来减少开机时间，这样可以关闭计算机和部分加热设备。我们正在研究的另一件事是在开机时并行执行任务，例如能够在与轨道飞行器通信的同时行驶或使用机械臂。 所以功率在下降，这迫使我们进行所有这些并行化的工作，并让我们在操作方式上变得更加高效和精细。但目前我们的科学产出没有下降。我们的车轮还在坚持，机械臂暂时也还好，但愿没事。我觉得瓶颈可能是预算。 ## 好奇号对未来的火星探索的影响 **你们从好奇号学到了什么，可以改进未来的任务？** **霍洛威：** 作为一个嵌入式飞行软件人员，我会思考如何在任务期间更改、添加或修改软件功能。加载和修补飞行软件确实有一个最佳时机——其中一些概念是在勇气号和机遇号上首创的，然后被好奇号和毅力号继承，使得理解和更改软件变得更加容易。 我希望能在这辆火星科学实验室（MSL）火星车上拥有的一些东西包括，更好地了解我们的功率流向。我想知道每个组件每一分钟消耗了多少功率，这样我们就可以设计一个能够更好平衡负载的软件系统。我们有部分信息是设计火星车的工程师内置的，但作为一个操作者，我想要稍微不同的东西。所以，如果我正在构建一个任务，我会更早地进行这些讨论，并让操作人员参与进来，说"你们希望数据产品是什么样的？" 设计未来任务的关键启示是，要在设计过程的早期与所有用户沟通。这需要从一开始就进行。 **好奇号的长期未来是什么样子的？** **霍洛威：** 这是一个正在进行中的讨论，而且是一个非常微妙的讨论。我们有很多科学仪器，其中很多与接触科学和采样有关，依赖于机械臂。如果我们失去了机械臂，我们还能进行哪些科学研究？我们还有很多遥感传感器，比如相机、环境传感器和辐射传感器。所有这些对于未来的太空探索以及人类登陆火星都非常重要。 从功率角度来看，预计我们的RTG将在第六次扩展任务中开始导致科学产出下降，但我们在2035年甚至更晚之前都会没问题。所以我们面前有一个漫长而激动人心的未来。我们需要在现有约束条件下找到最佳运行方式，但我们仍在前进。