《大眾科學》問答:如何在火星上開車? 《大眾科學》問答:如何在火星上開車?

《大眾科學》問答:如何在火星上開車?

《大眾科學》問答:如何在火星上開車?

在火星表面停留30個地球日後,“好奇號”火星車已經伸展了“脖子”,採集了第一塊岩石樣本,並進行了首次“漫步”。未來幾週,它還將完成更多「首次」——例如採集、鑽探和烘烤岩石樣本——但目前火星車已基本準備就緒,將在未來兩年內探索火星是否可能存在生命。

接下來的兩年裡,噴射推進實驗室(JPL)的工程師將駕駛這輛火星車在火星上馳騁,精確控制「好奇號」火星車的車輪,使其能夠到達科學團隊希望它前往的任何地點。許多「好奇號」的駕駛者都曾在駕駛「勇氣號」和「機遇號」火星車時積累了豐富的經驗,但這兩輛火星車截然不同。 「好奇號」的體積更大,而且它採用核動力,因此不像其他火星探測漫遊車那樣,需要費心調整車身朝向太陽的角度。

但它們之間也有一些相似之處。和它的前輩一樣,「好奇號」火星車也有六個輪子、一個類似人頭的桅杆和攝像頭,還有一個工程師團隊,他們將日復一日地規劃它旅程的每一寸土地。就在《好奇號》準備環顧它的新家時,《大眾科學》雜誌採訪了火星車駕駛員範迪·湯普金斯。以下是經過編輯的採訪實錄。

《大眾科學》:為什麼開車出門要花這麼久?

範迪湯普金斯:我們之前降落時使用的是一套軟體,現在需要進行過渡。這次任務的著陸過程非常複雜,但也很有趣——不過現在著陸部分已經不需要了,所以控制系統會更新。這輛火星車的移動系統展開過程不像火星探測漫遊車(MER)那麼複雜——MER需要展開系統並從降落傘中駛出。而這輛火星車的著陸過程是在著陸降落階段完成的。我們現在是靠輪子驅動的。所以,我內心那個火星車駕駛員就想:「出發!」但是「勇氣號」和「機遇號」已經運行了8年多。我們有充足的時間。所以我們要確保所有檢查都已完成。

我們會把所有說明都放在一個包裹裡寄出。很多人會把它比喻成給火星發郵件。

PS:你們是什麼時候更換漫遊車的?

VT:我在火星探測漫遊車號(MER)上的最後一班是火星日3022,現在想想真是不可思議。我不得不停止工作,因為好奇號要切換到火星時間了。 MER的運行時間太長了,現在已經切換到地球時間,而你不可能同時處於地球時間和火星時間。我們這些在MER上工作的人,至少暫時會全部投入好奇號的工作。 90天后,我們才會切換回地球時間。

《大眾科學》:你對生活在火星時間裡有什麼感受?

VT:我之前在火星探測漫遊者(MER)計畫上讀研究生,所以這次算是正式進入火星探測領域。我對此非常興奮。多年來參與這項任務,我們之間建立了深厚的友誼。假日和週末都要加班加點,感覺就像和機器人一起在野外工作一樣。或者你可以把它想像成露營。大家都在,圍坐在營火旁聊天。這讓團隊更加團結。

PS:您會在同一天駕駛這兩輛探測車嗎?

VT:這完全有可能──我非常樂意這麼做。我們駕駛「機遇號」火星車,花了數年時間穿越平原,最後抵達了奮進隕石坑,這個隕石坑蘊藏著巨大的科學潛力。我們甚至還沒怎麼深入探索,就已經取得了令人矚目的科學發現。在我最後一次值班時,我看著那些圖像,心想:「哇,這真是太酷了。」能有兩個如此令人驚嘆的地方可以選擇,真是太好了。

NASA/JPL-加州理工學院

PS:如何告訴「好奇號」該做什麼?

VT:由於時間延遲,即使我們按照火星時間操作,我們也不會發送一條指令,等待回應,然後再發送另一個指令。我們會向探測車發送一整套指令序列。我們會取得前一天拍攝的立體影像,利用這些影像製作立體地形圖。我們會戴上3D眼鏡查看影像-就像你在辦公桌前戴的那種3D眼鏡。擁有深度視圖能獲得的資訊量之大令人難以置信。有些東西看起來可能很普通,但戴上3D眼鏡後,你就能發現它可能有弧度,或者我們之前可能看不到的縫隙。

之後,我們會用到一個工具──探測車模擬器──來執行指令序列。我編寫了內建於模擬器中的飛行軟體引擎的程式碼,它模擬了我們的操作。如果有什麼貓膩,我們會在地球上先發現。

《大眾科學》:為什麼所有操作都要先透過軟體完成?為什麼不能直接驅動呢?

VT:我們通常無法準確了解火星上的情況。地形網格資料可能在某些點缺失,或者我們可能提前與火星接觸,又或者我們在漂移過程中車輪可能打滑。我們無法預測這些情況會在哪裡發生。這就很有意思了。你必須嘗試推演整個流程,考慮所有可能的情況,進行假設性分析——如果發生這種情況,結果是否仍然有效? ——在所有你能想到的條件下進行分析。然後我們才能將數據送上火星。

《大眾科學》:面對 360 度的可能性,你如何決定去哪裡?

VT:科學家選定目標,我們確保目標安全且可到達。然後整個團隊會查看探測車模擬程式。我們花一整天時間檢查指令,每個人都簽字確認後,再將指令上傳到探測車。我們發送一個資料包。很多人會把它比喻成給火星發郵件。然後探測車執行任務,之後就進入休眠狀態。我們實行兩班倒,每班八小時——我早上6點上班(每天提前40分鐘,因為團隊會根據火星日進行調整),下一位同事下午3點上班,到當天晚上,我們就準備好上傳指令了。

這一切的時間安排取決於電力供應、可用數據、軌道飛行器何時準備就緒、深空網路何時可用等等所有因素。然後它會將數據傳回給我們,我們便開始新一輪的循環。

《大眾科學》:好奇號火星車能否像機遇號一樣自主決定行駛路線?還是可以告訴它「執行駕駛」指令然後放手讓它自由探索?

VT:如果我們認為某些事情可以放心讓它自行處理,我們會設定條件語句-「如果遇到這種情況,不要這樣做,而是這樣做」。有時,我們需要進行一些現場的科學和工程分析,我們會確保不會發生其他意外,並使其自身處於安全狀態。要么我們來處理,要么我們確保它最終處於安全狀態,即使它沒有完成我們預期的任務。

如果偵測車超出我們預期範圍,系統會透過多重檢查機制將其攔截。我們設定了不想進入的區域邊界,同時還具備自主導航能力——“如果發現超出此範圍的地形,則停止。”

所以它不僅僅是發送一條驅動指令。這些指令序列可能包含數十條指令;根據當天情況的複雜程度,甚至可能達到100條。它能做的事情太多了。

麗貝卡·博伊爾