45.22公里的火星之旅：毅力号如何刷新地外行驶纪录
10月11日，NASA毅力号火星车的累计行驶里程达到45.22公里，超过机遇号此前保持的45.16公里纪录，成为在地外天体表面累计行驶距离最远的车辆。
这一天，是毅力号抵达火星后的第2006个火星日。机遇号用了近15年走过的距离，毅力号用约5年半便完成了。从里程表上看，两者只相差60米；但在这次纪录更替背后，火星车观察地形、判断路线和执行任务的方式，已经发生了明显变化。
火星上的45公里，每一段路线都需要面对陌生的地形、散落的岩石，以及地面无法实时接管的通信条件。车轮能否通过，车底会不会碰到障碍，走过一段路后是否仍能准确判断自身位置，都需要任务团队和车载系统共同解决。随着探测范围扩大，火星车也需要承担更多现场判断工作。让毅力号越走越远的，是相机、计算平台、导航软件与移动机构之间不断改进的协同能力。
▲地外车辆累计里程对比，毅力号已超过机遇号保持的纪录（图源：NASA）
地球与火星之间的通信延迟，使操作人员无法像驾驶遥控车一样，一边观看实时画面，一边调整方向。地面团队需要先分析轨道影像和火星车传回的数据，选择目标与导航航点，再将任务指令发送到火星。毅力号搭载的自主导航系统AutoNav，负责处理航点之间更具体的行驶问题：通过导航相机拍摄周围环境，建立三维障碍物地图，评估可通行的路径，并在遇到障碍时调整路线。NASA团队把这种能力称为“边行驶边思考”，也就是在车轮持续转动的同时，完成地形分析和后续路线规划，让拍摄、计算与行驶相互配合。
目前，毅力号超过90%的累计行驶距离，都使用了AutoNav评估地形。相比之下，机遇号及其孪生火星车勇气号搭载的早期自主导航系统，仅用于约5%的行驶里程。毅力号单个火星日最远可行驶约412米，而软件仍在继续改善它的行驶效率。按照任务团队的介绍，最新调整让火星车减少不必要的转向、增加连续行驶距离，并能够在行进过程中利用轨道地图检查自身位置，减少为确认位置而进行的额外操作。对于一台已经抵达火星、硬件难以更换的探测器来说，软件的持续改进，为同一套装备释放了更多任务能力。
不过，火星上的行驶条件仍会给自主导航带来新的限制，阳光就是其中之一。当毅力号朝太阳方向行驶时，导航相机可能受到眩光干扰，任务团队通常需要在火星当地时间午后提前结束这类行驶。如果后续软件能够减轻这些成像伪影的影响，火星车每天可用于前进的时间还有望增加。从减少一次多余转向，到降低光照对地形判断的干扰，看似局部的软件调整，最终都会影响整段行驶任务。自主能力越强，越需要把软件放进完整系统中，检查它在不同条件下如何判断和执行。
在地球上，毅力号有一辆名为OPTIMISM的全尺寸工程样车。早在2021年，NASA就介绍过它在JPL“火星场”开展测试的情况：这片铺设着岩石和坡面的场地，用来检验车辆通过障碍、执行行驶指令等能力。工程人员可以先在样车上观察系统如何判断路线、如何应对不同地形，再为火星上的操作提供依据；当毅力号遇到问题时，样车也能够协助团队分析原因、研究解决办法。火星车在远方执行任务，地面测试平台则持续承担着验证新操作、排查异常和支持任务规划的工作。
▲毅力号的地面工程样车承担着行驶、采样及相关系统测试工作（图源：NASA）
这种先在地面运行、观察和验证的需求，也广泛存在于航空航天等复杂嵌入式系统的研制过程中。一套自主系统背后，运行着由处理器、操作系统、存储器、总线和外设共同构成的计算环境，算法需要在其中接收数据、使用计算资源、访问设备并输出控制指令。研发人员既要检查算法结果，也要观察任务能否及时调度、设备数据能否正确处理、控制指令能否按预期执行，以及异常出现后系统如何响应。而真实硬件往往数量有限，部分设备交付较晚，实物测试平台也需要在多个团队之间安排使用。随着软件持续更新，重复执行测试、复现异常和比较版本差异的需求还会不断增加。
天目全数字实时仿真软件SkyEye可通过对处理器、存储器、总线和外设等硬件资源进行硬件行为级建模，在通用计算平台上构建嵌入式数字样机。模型与目标硬件配置相匹配后，研发人员可以加载并运行目标嵌入式二进制程序，提前开展开发、调试和验证工作。借助断点、单步执行以及内存和寄存器查看等能力，可以观察软件启动、任务调度和设备访问过程，将程序的运行表现与底层硬件状态联系起来，为分析软硬件交互问题提供依据。
▲SkyEye界面图
在此基础上，状态快照、故障注入与自动化脚本，还可以帮助研发人员在模型覆盖范围内反复构造测试条件。例如，保存某个关键运行状态，在恢复后检查不同处理方式；主动改变内存或设备寄存器中的数据，观察软件能否检测异常、执行处理并恢复运行；在软件版本更新后，再次执行既有测试，检查原有功能是否受到影响。这类工作能够在实物联调前提前展开，减少开发与测试对少量硬件设备的依赖。
对于毅力号而言，更高的行驶效率最终要服务于科学探测。刷新纪录时，它正在杰泽罗陨石坑西缘附近向Idubi地点行进，团队希望在那里寻找古代热液活动留下的痕迹。在陨石坑边缘，火星车正在调查约40亿年前形成的岩石，这些岩石可能保存着地球上早已被侵蚀和板块活动抹去的早期地质记录。45.22公里之后，毅力号还将继续前进，它接下来要寻找的，是更古老的火星历史，也要继续应对眼前每一段尚未走过的道路。
