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无人驾驶探测车“毅力号”如何安全可靠登陆火星？

2021-04-03 09:31:00

征服宇宙并不需要世界上功能最强大的微处理器。真正的秘诀在于充份利用该组件的运行特性，即使它有一点过时或者甚至性能也不是最优的。让我们看看美国太空总署（NASA）的无人驾驶探测车“毅力号”（Perseverance）如何安全可靠地登陆火星。

人类向火星迈进一步

经过数百万公里的飞行之后，NASA的“毅力号”探测车终于在2021年2月18日登陆火星表面。我们可以将这次事件视为一次历史性的任务，因为，尽管距离遥远、宇宙的环境严苛以及硬体薄弱，人类的装置依然顺利到达了这个红色星球。值得注意的是，光平均在大约12分钟的时间内传播相同的距离。因此，收集无线电讯号、影像和资讯也需要花费相同的时间。

为了完成这项“不可能的任务”，NASA使用一款安装于苹果（Apple） iMac G3电脑中的处理器，它采用的是1997年的处理器架构——运算频率仅200MHz，RAM记忆体为256MB。甚至在同级商用处理器系列中还称不上是最快的处理器。

为什么采用较低阶技术？

作此选择的背后自有其道理。飞机的设计人员更关心的是机载电脑的可靠性和耐用性，而不只是运算能力。简单的智能型手机通常执行地更快。前往火星的任务需要CPU始终处于工作状态。辐射轰击将会严重而且很轻易地损坏现代处理器的电子组件。另一方面，Apple第三代中央处理器G3则不至于被辐射破坏，而且还能够承受强烈的辐射和温度。

在地球上，你可以大幅提高处理器的速度，也不必担心会出现任何问题。电气、热、大气和电磁条件都十分舒适稳定，因为地球大气层用坚固的防护罩保护着我们。然而，宇宙的情况却大不相同。能量在100 MeV和1 GeV之间存在着巨大的功率辐射，它可能改变电路的功能，单个离子化的粒子对于处理器的影响就足以造成计算错误甚至严重的破坏。

速度慢但安全可靠

按照当今的标准来看，“毅力号”探测车中所使用的芯片速度较慢，但已能满足所有可靠性的测试要求。即使长时间暴露在辐射下也不会损害其功能。没错，在当今存在时脉频率超过3 GHz的微处理器时代，速度仅200 MHz的G3处理器显然难以存活。然而，或许更恰当的说法是：“缓慢而稳定的胜利”。

即使在严苛的条件下，高可靠性也是处理器最典型的特征。这是一款专门设计的抗辐射版本，可以在-55℃到+125℃ （-67℉到+257℉）之间的温度下运作，尤其是考虑到火星上的环境相当寒冷。此外，该款组件也很轻薄，能让各种辐射穿透。BAE Systems制造的抗辐射单板电脑RAD750能够安全地承受这些条件。

宇宙飞船的要求极其关键。节省几毫米的空间或几克的重量都是最基本的条件。记忆体维持在极低的容量，具有2 GB的快闪誋体、256 MB的可用RAM和256 KB的EEPROM即足矣。该处理器“仅”有1，040万个电晶体，是当今智能型手机的1，000倍。“毅力号”探测车中搭载了两个大脑，其中一个大脑在第一个处理器出现问题时随即启动。

极其安全可靠的处理器。

感测器

“毅力号”探测车还配备了惯性测量系统（IMU），该系统提供有关其位置的3轴资讯，以执行精确的垂直、水平和横向运动。连接到电脑的感测器记录许多参数，例如温度、电压、太阳能电池的能量储存和功率等，以确保所有的运作情况稳定。利用这些资料，就可以控制资讯交换操作、快照以及各种对探索新环境有用的指令。

结论

这并不是第一次使用这种类型的处理器。环绕在地球周围的一百多颗卫星中，几乎都使用了这款RAD100电脑，至今没出现问题。时至今日，我们所使用的可携式装置（笔记型电脑、智能型手机等）都具备超强的运算能力，而高度关键的太空探索则仅需用更少的资源即可成就“不可能的任务”。
责任编辑:pj

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