勇气号与机遇号携自主导航登陆火星

为什么火星车必须自己开一段

信号在地球与火星之间跑一趟要花时间，回信同样要花时间：在这次任务中，地球与火星之间的往返通信延迟达到 20 分钟甚至更长^[2]。如果火星车每走几米就停下来等地球的指令，一天里的大部分时间都会花在等待上。任务团队因此把一部分驾驶决策交给了火星车自己。

最初的目标并不高：任务设计为在 90 天的主任务期内行驶约 1 公里，每天工作约 4 小时^[2]。

2004 年 1 月的两次着陆

2004 年 1 月，火星探测车（Mars Exploration Rover，MER）任务把勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）两辆火星车送上了火星表面^[1]。这项任务首次在太空中使用了若干自主导航能力^[1]。这些能力出现在两个阶段：进入、下降与着陆阶段，以及着陆之后的表面行驶阶段。

着陆阶段：DIMES

在进入、下降与着陆过程中，两个着陆器都使用了下降图像运动估计系统（Descent Image Motion Estimation System，DIMES），在下降的最后 2000 米估计水平速度^[1]。系统依靠下降途中拍摄的图像工作：把前后几帧地面画面放在一起比较，就能推算出探测器横向移动的快慢。横向运动必须在下降的那几分钟内测出来并加以修正，而这点时间远不够向地球提问再等回信。

行驶阶段：立体视觉与 GESTALT

在火星表面作业时，火星车依靠立体视觉（stereo vision）进行局部地形测绘，并用一种名为 GESTALT 的反应式规划（reactive planning）算法避障，从而实现自主导航^[1]。立体视觉的基本思路是用两台相隔一小段距离的相机同时看同一片场景，两幅图像之间的差异可以换算出场景中物体的远近。反应式规划则是根据传感器当下的读数决定下一步往哪走，而不是事先把一整条路线排好。

到 6 月中旬走了多远

截至 6 月中旬，勇气号已行驶 3405 米，其中 1253 米是自主完成的；机遇号已行驶 1264 米，其中 224 米是自主完成的^[1]。把时间拉长来看，两辆火星车在最初 18 个月里行驶的距离中，约有 30% 是靠自主机器人技术完成的^[3]。

两辆车最终走了多远

勇气号在古谢夫环形山（Gusev Crater）内，6 年间行驶了 7.7 公里；机遇号在子午线平原（Meridiani Planum）一带，14 年间行驶了 45.2 公里^[3]。这两个数字都远远超过任务设计时定下的 1 公里^[2][3]。在这里首次进入太空的这些自主能力，并不是附加在任务之外的一次演示，而是火星车一段接一段向前行驶的方式之一——在地球上的团队等待下一条指令抵达的那些时间里，车仍然在走。