JPL如何让13岁的好奇号火星车继续开展科学探测

背景

十三年前的去年八月，NASA 喷气推进实验室（JPL）的媒体室里气氛紧张，人们屏息以待，见证好奇号（Curiosity）火星车在“空中起重机”辅助下能否安全着陆火星表面。最终，它成功了，且表现惊艳。

自那以后，这艘代号为“火星科学实验室”（Mars Science Laboratory）的探测器已行驶近 37 公里，钻探并采样了 42 块不同的岩石，截至发稿时已拍摄了近 76.3 万张照片。在火星这一对机器人而言极具敌意的环境中，一台运行了 13 年的机器人仍在进行实地科学研究，这本身就是不可思议的奇迹。更令人惊叹的是，JPL 工程师无法进行物理维护，只能通过发送极其谨慎的软件更新来维持其运作。

尽管车轮磨损严重、电力日益衰减，JPL 的工程师们仍成功让好奇号保持安全、温暖、可移动并持续进行科学探索。JPL 工程运营助理团队主管亚历山德拉·霍洛韦（Alexandra Holloway）在接受 IEEE Spectrum 采访时，分享了维持好奇号运行的经验、其未来前景，以及 JPL 如何利用这些经验使毅力号（Perseverance）等后续火星车具备更强的能力。

核心内容

1. 长寿的奥秘：不仅仅是坚固

当被问及为何在火星运行 13 年后，好奇号不仅仍在进行科学工作，甚至能力有所提升时，霍洛韦表示她自己也感到震惊。这种长寿并非仅源于制造时的坚固性，更得益于持续的投入和努力。她指出，从汽车到冰箱的各种嵌入式系统，都没有像火星车这样惊人的使用寿命。这种持久性既令人难以置信，又极具启发性。

2. 好奇号与毅力号的硬件与软件差异

虽然毅力号比好奇号年轻九岁，但两者的硬件其实非常相似：均使用 RAD 750 处理器，拥有相同的内存容量。主要区别在于：

• 自主驾驶能力： 毅力号增加了一个专门用于视觉里程计（visual odometry）的处理器，使其能够自主驾驶。
• 任务设计导向： 毅力号的设计侧重于长距离行驶，因此其机载调度能力旨在优化驾驶效率。相比之下，好奇号的任务重点是在行进过程中进行采样。
• 成果对比： 正是得益于自主驾驶能力，毅力号在火星上仅运行约三年后，其行驶距离就超过了好奇号。

3. 极限操作：内存危机与“R-Hope”补丁

霍洛韦分享了一个体现团队智慧的典型案例。在火星日（Sol，约 24 小时 40 分钟）2172 时，好奇号遭遇了处理器异常。

• 背景： 好奇号拥有 A、B 两台计算机。着陆初期因 NAND 内存异常，团队从 A 切换至 B。多年来一直使用 B，直到某天 B 启动后无法挂载驱动器分区。
• 危机： 为保护 B 的数据，团队冒险切换回已信任度降低的 A 机。然而，A 机的内存也已退化，可用存储空间从 4GB 降至仅 2GB。
• 恶化： 在将数据从 B 转移至 A 并传回地球的过程中，A 机开始表现出类似 Sol 200 时的内存故障迹象（仿佛内存脱焊）。
• 解决方案： 团队迅速切回 B 机并格式化重启。此时面临一个新问题：A 机内存不可信，但需要保留一台计算机作为“救生艇”以备 B 机再次故障。
• 创新： 团队发现飞行软件存储在四个不同的小容量内存库中（每库仅 32MB）。他们决定丢弃旧的飞行软件副本，腾出 64MB 的 NOR 内存作为 A 机的文件系统。
• 结果： 这一方案被称为“R-Hope”，因为团队希望它能奏效。最终，A 机在仅使用不到 1% 原始内存的情况下继续运行。虽然任务规模缩小、速度变慢，但核心能力（驾驶、数据管理、甚至科学实验）得以保留，未做削减。

4. 寿命限制与资源管理

好奇号的寿命主要受限于以下硬件消耗：

• 车轮磨损： 火星表面看似是沙地夹杂岩石，但实际岩石是埋藏在沙下巨大巨石露出的锋利尖端。这导致车轮（尤其是前轮）被撕裂，迫使团队改变驾驶策略（如倒车行驶）。
• 执行器消耗： 机械臂等关节执行器的移动次数被视为消耗品。好奇号近期较少拍摄“自拍”，部分原因正是为了保护关节。
• 电力衰减： 这是最大的消耗品。好奇号使用放射性同位素热电发生器（RTG），其输出功率随年龄增长而下降。RAD 750 处理器功耗较高，而新一代任务已采用 Snapdragon 处理器。
• 效率提升： 为应对电力下降，团队通过“提前完成活动并休眠”来减少计算机通电时间，并利用并行处理（如在与轨道器通信的同时驾驶或操作机械臂）来提高效率。目前，科学输出并未因效率提升而降级。

5. 对未来任务的启示

霍洛韦强调，未来任务设计的关键在于早期介入。

• 软件灵活性： 在任务期间修改、添加或修改软件能力是可行的，这一概念在 Spirit 和 Opportunity 任务中首创，并被好奇号和毅力号继承。
• 数据需求前置： 她希望未来任务能更清晰地了解每一分钟各组件的功耗，以便构建更好的负载平衡软件系统。
• 核心建议： 在设计过程的早期，设计师应与所有用户（包括操作员）沟通，明确他们希望获得什么样的数据产品。这种沟通必须在项目初期就发生。

关键要点

• 超长服役奇迹： 好奇号在火星运行 13 年，行驶 37 公里，采样 42 块岩石，拍摄 76.3 万张照片，其寿命远超常规嵌入式系统。
• 软件定义生存： 在无法进行物理维修的情况下，JPL 通过复杂的软件更新和内存管理（如著名的“R-Hope”补丁）维持车辆运行。
• 硬件差异决定任务风格： 毅力号因增加视觉里程计处理器而具备自主驾驶能力，行驶速度远超侧重采样的好奇号。
• 资源极度受限： 车轮被尖锐岩石磨损、RTG 电力衰减、内存退化是主要挑战，团队通过改变驾驶策略、优化功耗和并行处理来应对。
• 设计哲学转变： 未来火星任务设计需将操作员需求前置，特别是在数据产品和功耗监控方面，以实现更高效的系统架构。

意义与影响

好奇号的成功不仅是一个工程奇迹，更是深空探测任务管理模式的典范。它证明了通过精妙的软件工程和资源管理，即使硬件严重老化，任务仍能持续产出科学价值。

对于未来的火星探索，特别是计划中的更长期任务，好奇号的经验提供了宝贵教训：

1. 冗余与灵活性的平衡： 在硬件资源极度受限的情况下，软件层面的灵活性和冗余设计（如双计算机、多版本软件存储）是延长任务寿命的关键。
2. 人机协作的早期整合： 任务设计不能仅由工程师闭门造车，必须让一线操作员参与早期设计，确保系统架构能满足实际运行中的数据监控和负载管理需求。
3. 效率即科学产出： 在电力等关键资源递减的情况下，通过并行处理和智能休眠提升效率，是维持科学产出稳定性的核心手段。

亚历山德拉·霍洛韦的访谈揭示了一个事实：火星车的长寿不仅是硬件的胜利，更是人类智慧、工程韧性和持续创新的结晶。这些经验将直接赋能未来的火星任务，使它们更加智能、高效且持久。