浅述人工智能在登陆火星的“毅力号”火星探测器中的应用

成功登陆火星之后，美国宇航局(NASA)发射的“毅力号”火星探测器已经从多种机载人工智能系统中获得了至关重要的帮助，这些人工智能系统旨在指导该探测器在火星上开展为期两年的探索性任务。

“毅力号”火星探测器成功完成了从地球到火星的2.93亿英里的星际航行，并于美国东部标准时间2月18日15：55安全降落在火星表面。这次成功登陆是在火星探测器快速降落之后完成的，当时运载它到火星的航天器在进入火星大气层时的速度从每小时12100英里降到了零，而“毅力号”火星探测器在进入大气层约7分钟之后安全地降落在火星表面。

美国宇航局工程师和探索任务控制人员随后检查了“毅力号”火星探测器的各种系统，以确保在长途航行后一切都处于良好状态，然后实施计划中的科学实验，旨在寻找数十亿年前的火星微观生命的痕迹。

美国宇航局喷气推进实验室科学操作工程师Raymond Francis表示，为了完成这些实验和任务，“毅力号”火星探测器采用的人工智能的功能与前4个火星探测器相比还要多，其中包括2012年8月6日抵达火星并仍在运行的“好奇号”火星探测器。

Francis说：“与实施火星科学实验室(MSL)任务的‘好奇号’相比，“毅力号”火星的人工智能系统得到了升级。其中一些功能来自我们对‘好奇号’进行的改进和升级。”

人工智能在登陆火星中发挥的作用

Francis表示，“毅力号”火星探测器上搭载的主要人工智能系统对登陆措施进行了加强，使其成功降落在28英里宽的Jezero 陨石坑附近。由于在现场环境中具有河流三角洲、悬崖、沙丘、巨石和较小的陨石坑，因此其登陆过程十分危险。

他表示，这就是采用人工智能技术的地形相对导航(TRN)系统发挥重要作用的地方。他说：“‘毅力号’火星探测器上有一个摄像头，可以使它在降落到着陆地点时拍摄一张或多张图像。而探测器中存有一张地形图，可以与拍摄的这些图像进行匹配，并识别出其着陆位置。然后会计算刚被拍摄到图像所在的位置以及将在哪里着陆的位置。”

Francis表示，这些自主功能对于探测器着陆至关重要，因为由于地球与火星之间的距离遥远，航天器在5到40分钟之后(视情况而定)才能获得任务工程师传达的命令。这意味着将“毅力号”火星探测器安全降落在充满危险的着陆区需要采用地形相对导航(TRN)系统，因为依靠任务工程师执行滞后的人工控制命令是不可能实现的。

他说：“如果它意识到可能降落在不安全的地方，将会在超音速下降到零的过程中自动转向降落到安全的着陆点。”

这就是美国宇航局宇航员尼尔·阿姆斯特朗于1969年7月20日在阿波罗11号登陆月球的过程中所要完成的任务。在那次任务中，阿姆斯特朗通过人工控制，将全球第一艘载人登月舱“老鹰”号降落在月球表面，因为登月舱自动化系统当时正在将登月舱引导到一个危险着陆点。

Francis.说：“由于无人控制，人工智能系统可以使‘毅力号’火星探测器在杰泽罗陨石坑附近降落，这对‘好奇号’来说并不安全，而‘毅力号’的着陆系统采用人工智能技术，因此安全着陆。”

人工智能在瞄准仪器中的应用

人工智能还通过自主探索收集增强型科学系统(AEGIS)应用在“毅力号”火星探测器的火星探索，AEGIS是一种智能瞄准软件，它允许任务工程师远程瞄准和控制探测器的SuperCam摄像头。而“好奇号”火星探测器采用的是ChemCam摄像头，并使用了较早版本的AEGIS系统，但是这个更新的版本经过了增强，可以与最新更新的SuperCam摄像头配合使用。

Francis说：“‘毅力号’火星探测器将在着陆后不久开始使用它。”Francis是开发AEGIS的首席系统工程师。

他解释说：“‘好奇号’的ChemCam摄像头和‘毅力号’的SuperCam摄像头也是一种激光光谱仪，可以发射具有强大能量的激光，通常是照射在探测器7米范围内的某块岩石上，蒸发岩石表面的一部分。然后经过观察生成的岩石等离子体，以确定岩石的元素。”

这些实验旨在帮助科学家了解火山岩石的成分，并使用其他测量方法来确定岩石的形成、来源以及其他细节。

Francis说：“通常情况下，我们让地球上的科学家选择某块岩石进行研究。他们通过从火星探测器上拍摄的照片选择感兴趣的岩石。但是由于探测器正在移动，并且图像传回地球的时间较长而错过最佳的岩石。我们可以利用机载人工智能系统让探测器在周围选出最适合的岩石，由于在火星上的探索时间十分宝贵，因此我们通常让人工智能系统进行选择。”

利用人工智能改进自主导航

Francis表示，美国宇航局的“好奇号”探测器已经采用了人工智能自主导航系统，而“毅力号”探测器的导航系统为此得到了极大的改进。

他说：“我们需要在火星上能够更快、更远地行驶，并采用了性能更高的计算机，能够更快地进行运算。在‘好奇号’探测器上，我们必须使用自动导航确定更短的距离，拍摄和计算立体图像，以确定哪些是障碍物，哪些是安全路径，然后沿着安全路径行驶。但实际上的行程很短，只有一两米。”

他补充说，现在这些过程已经显著加快。

他说：“我们简化了 ‘毅力号’探测器的算法，提高了整体功能，因此实际上可以连续行驶。我们可以在行进时拍摄照片并处理数据，这样我们可以更快更远地自动导航。”

Francis表示，所有这些增强的人工智能功能以及即将推出的新功能，都将使未来的探测器更容易到达火星和更远的太空。

他说：“很多人已经看到在国际空间站上利用自主性和智能技术来完成调度等各种事项，这些技术已不足为奇。但是，像国际空间站这样的航天器技术极其复杂，其中有大量系统和功能，具有很多不同的依赖关系，并且必须在某些时候是同步完成。完成这些事项非常复杂，尤其是当某些事情发生变化时。”

他说，“这就是人工智能帮助国际空间站完成任务发挥重要作用的地方。我们已经在机器人任务中完成类似的开发，我认为这在未来的任务中会更加重要，特别是在任务越来越复杂的时候。”

这些要求也将发挥作用，因为航天器将继续远航，不必等待科学家的指令，这样将会变得更好，更富有成效。

Francis说：“从地球向火星上的探测器发布指令的效率十分低下，但是可以在没有这种自主权的情况下实施。但是探测器进入太阳系的距离越远，通信时间的限制就意味着或者必须事先准备好一切，或者必须让航天器拥有自主的机构。如果让航天器能够对意外事件快速做出反应，必须具有自主决策权。我认为这将变得越来越重要。”

他指出，探索太阳系之外的行星或在恶劣环境完成太空任务将越来越依赖于人工智能的自主性技术。

他说：“挑战的一部分是使人们更加信任自主系统，以便对航天器做出正确的决策或选择正确的科学数据。AEGIS就是一个示例，说明科学家团队对此感到非常满意，并经常使用，因为为他们提供了良好的科学数据。因此，我们必须证明自主系统或者能够促进科学发展，或者对航天器安全有效。”

2月20日在太空领域发生的另一件事是，HPE和Microsoft Azure公司将向国际空间站提供功能强大的人工智能、边缘计算和云计算工具。新的人工智能和其他工具是正在进行技术实验的一部分，旨在为美国宇航局未来发射载人火星探测任务做好准备。

这些新设备和软件其中包括HPE的第二代星载计算机2(SBC-2)，这个标志着首次向国际空间站提供广泛的人工智能和边缘计算功能。

新的硬件、软件和服务在2月20日中午12：36通过诺斯罗普格鲁曼公司的NG-15飞船发送到国际空间站。而NG-15飞船从美国弗吉尼亚州沃洛普斯岛沃洛普斯发射中心设施发射，为国际空间站运送所需的物资。

编辑：jq