ИИ-апгрейд помог марсоходу Perseverance работать умнее на Марсе

NASA запустило миссию Mars 2020 в июле 2020 года, отправив марсоход Perseverance исследовать кратер Езеро на Красной планете — место древнего озера и речной дельты, выбранное за его потенциал хранить следы прошлой жизни. Более двух лет после посадки в феврале 2021 года деятельность марсохода, пересекавшего каменистую, выветренную местность, управлялась с помощью обычного программного обеспечения и проводилась в моменты, заранее определённые наземной операционной командой.

Однако 5 октября 2023 года миссия начала использовать автономное программное обеспечение на основе искусственного интеллекта (ИИ) для управления Perseverance. Программа под названием On Board Planner (OBP) учитывает текущие марсианские условия и фактические длительности действий марсохода, чтобы вносить корректировки на месте.

С момента перехода на операции под управлением OBP Perseverance значительно сократил время простоя.

Марсианские поверхностные условия и их влияние на работу приборов могут быть непредсказуемыми. При обычном программировании «мастер-субмастер» (MSM) эти факторы — а также неизвестные особенности исследуемой местности — делали необходимым закладывать запасы (то есть дополнительное время и энергию) в заранее определённый график Perseverance.

Эти запасы минимизировали сбои в последующих запланированных событиях из-за незапланированных колебаний времени подготовки приборов и сбора данных, но они также часто приводили к тому, что марсоход простаивал — теряя время, которое можно было бы использовать для дополнительных наблюдений, движения или сна для экономии энергии. (Gaines et al. [2016] показали, что предшественник Perseverance, марсоход Curiosity, мог увеличить свою активность на целых 30%, используя обратную связь «на борту» для возврата времени простоя и предотвращения ненужного нагрева.)

С момента перехода на операции под управлением OBP Perseverance значительно сократил время простоя. Это улучшение в сочетании с сокращением энергии, используемой для предварительного нагрева приборов, позволило проводить более тщательные научные исследования в интересующих местах.

ИИ всё чаще используется для науки на Земле. Развёртывание ИИ для управления уникальным космическим исследовательским средством, таким как Perseverance, представляет собой крупный шаг вперёд в операциях космических миссий, прокладывая путь к потенциально широкому использованию ИИ в автономных космических миссиях.

От жёстких графиков к ситуативной адаптации

Успешное развёртывание программного обеспечения OBP зависело от выбора правильного ИИ для этого ответственного применения и его надлежащей проверки на надёжность.

В отличие от многих моделей машинного обучения и больших языковых моделей, привлекающих внимание в последнее время, OBP использует «старую школу» рассуждений на основе ограничений и протоколов поиска для составления своих графиков [Johnston and Miller, 1994; Chien et al., 2010], что позволило провести целенаправленный анализ и тестирование, чтобы убедиться в правильной работе программного обеспечения до начала эксплуатации. Также в отличие от многих подходов ИИ, программное обеспечение обладает множественными возможностями объяснения, позволяя операционному персоналу видеть обоснование его решений. Эти качества повышают как доверие к программному обеспечению, так и понимание того, как оно будет вести себя в различных ситуациях.

OBP может получать информацию о состоянии марсохода и его окружающей среды в реальном времени — условиях, которые трудно предсказать при планировании деятельности марсохода с Земли.

OBP повышает производительность марсохода, перепланируя его график — в среднем более 15 раз за марсианский день (сол) — в ответ на изменения окружающей среды и хода выполнения, используя набор действий, которые он должен выполнить, в качестве входных данных. Ключевое достижение заключается в том, что OBP понимает операционные и научные ограничения, необходимые для правильного выполнения этих действий.

Некоторые действия должны выполняться в определённое время (например, когда освещение правильное), а некоторые зависят от завершения предыдущих действий (например, разворачивание руки перед наблюдением с помощью прибора на конце руки). Другие действия имеют требования к энергии и нагреву, поскольку приборы и механизмы должны быть warmed перед использованием в холодной марсианской атмосфере.

OBP также может получать информацию о состоянии марсохода в реальном времени (например, уровень заряда батареи) и его окружающей среды (например, температуру окружающего воздуха) — условиях, которые трудно предсказать при планировании деятельности марсохода с Земли. Понимая это, он может корректировать, удалять или добавлять действия, чтобы наилучшим образом достичь научных целей наземной операционной команды и безопасно управлять марсоходом.

Большая эффективность означает больше наблюдений

За более чем 2 земных года операций OBP увеличил количество и качество научных наблюдений Perseverance несколькими способами.

Более эффективное управление энергией позволяет марсоходу выполнять больше действий (рис. 1). В парадигме MSM действия планировались наземной командой за один или несколько дней до выполнения, чтобы происходить в заранее определённое фиксированное время. График также должен был выделять запасное время, чтобы избежать потенциальных конфликтов с последующими действиями.

С OBP, если одно действие завершается раньше, последующие действия могут начаться раньше, позволяя марсоходу завершить свой набор операций быстрее и либо добавить больше действий, либо рано уйти в сон для экономии энергии. OBP также может компенсировать, если действие затягивается, потенциально отменяя его, чтобы не нарушить более важные последующие действия.

OBP также экономит время и энергию, используя показания температуры марсохода для корректировки того, когда и как долго механизмы и приборы предварительно нагреваются перед использованием. В предыдущих операциях MSM наземная команда использовала прогнозируемые температуры на Марсе для планирования энергоёмких «разомкнутых» предварительных нагревов по заранее установленному графику, без корректировок на основе показаний датчиков. С OBP, если марсоход чувствует, что температура окружающей среды выше прогнозируемой, например, он может начать предварительный нагрев позже запланированного, чтобы сэкономить энергию (рис. 2). Действительно, OBP увеличил доступную энергию марсохода более чем на 10% [Gaines et al., 2026].

Лучшее управление теплом также улучшает науку, выполняемую лазерным спектрометром SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman and Luminescence for Organics and Chemicals) марсохода, который обнаруживает минеральные и органические сигнатуры. SHERLOC необходимо предварительно нагревать, но поддержание его рабочей температуры дольше необходимого заставляет его поглощать дополнительное тепло, что снижает качество его измерений, внося шум и влияя на калибровку прибора.

OBP может управлять Perseverance, используя наилучшие оценочные длительности предварительного нагрева вместо более длительных, более консервативных времён предварительного нагрева (рис. 3), что приводит к меньшему перегреву SHERLOC. Если запланированные предварительные нагревы необходимо продлить, чтобы адекватно прогреть компоненты марсохода, то последующие действия могут быть отложены — менее значительное изменение, чем полная отмена последующих действий.

Когда марсоход должен после какого-либо действия отправиться в другое место, OBP может использовать раннее завершение этого действия в виде бонусного времени для движения, не ставя под угрозу последующие действия (рис. 4). Дополнительное время движения позволяет быстрее продвигаться между интересующими регионами, экономя время особенно во время многодневных или многонедельных переходов, что, в свою очередь, позволяет Perseverance выполнять больше науки в своём плане исследования.

Наконец, OBP может повысить эффективность использования приборов в периоды высокого спроса (рис. 5). Полдень, например, благоприятен для конкурирующих высокоприоритетных действий, таких как движение, геологическая съёмка и спектроскопия, что иногда приводит к пробелам в данных для менее приоритетных атмосферных измерений. OBP может рассматривать дополнительные действия, которые, возможно, не вписывались в первоначальный график, и, если другие действия завершаются раньше, он может направить марсоход на выполнение этих менее приоритетных задач.

Преимущества в Bright Angel

42-соловая кампания (солы 1 177–1 219) по исследованию региона Bright Angel на Марсе в 2024 году стала одной из самых важных фаз миссии Mars 2020 на сегодняшний день. Во время кампании Perseverance обнаружил примечательную породу Cheyava Falls с «леопардовыми пятнами», из которой он собрал образец под названием «Sapphire Canyon».

Sapphire Canyon — один из нескольких образцов, которые Perseverance хранит в герметичных контейнерах для последующего извлечения, и он содержит элементные и минералогические особенности, которые могут пролить свет на то, была ли на Марсе микроскопическая жизнь в далёком прошлом. В частности, порода показывает свидетельства прошлых окислительно-восстановительных реакций вместе с органическим углеродом и минералами фосфата железа и сульфида, организованными в миллиметровые и субмиллиметровые структуры — признаки, которые были интерпретированы как потенциальные биосигнатуры [Hurowitz et al., 2025].

Геологическая сложность Cheyava Falls и его окрестностей мотивировала множество исследований и сбора данных в районе Bright Angel. Экономия энергии и гибкость планирования, обеспеченные OBP, позволили научной команде в нескольких случаях собрать дополнительные научные наблюдения сверх первоначально запланированных. Перед отбором образца Sapphire Canyon, например, команда добавила больше спектрометрических измерений и изображений и решила проехать и осмотреть другую часть Bright Angel — всё это энергоёмкие действия.

При обычном программировании энергоёмкие действия не могли быть accommodated в короткие сроки. С OBP команда обнаружила, что гораздо меньше ограничена в добавлении или замене запланированных действий. Решения также могли приниматься быстрее, поскольку требовалось меньше жертв и сложных компромиссов.

Примечательно, что после бурения образца Sapphire Canyon команда решила провести обширные дополнительные наблюдения SHERLOC на Cheyava Falls. В режиме MSM эти дополнительные наблюдения потребовали бы 1–2 сола для подзарядки, что означало бы, что их потенциальная научная ценность будет взвешена против задержки в несколько солов. Но поскольку OBP сэкономил энергию благодаря более короткой, чем планировалось, длительности бурения образца, эти наблюдения можно было провести без задержки.

В конечном счёте дополнительные измерения SHERLOC, которые обеспечили большее пространственное покрытие и улучшенную статистику для наблюдений миссии вокруг Cheyava, были важны для формирования — и повышения уверенности в — интерпретации научной командой потенциальных биосигнатур в образце Sapphire Canyon.

Строя доверие для ответственной миссии

Помимо OBP, Perseverance использует другое программное обеспечение ИИ для конкретных функций. Это включает его усовершенствованную навигацию (Enav) для автономного вождения, систему Autonomous Exploration for Gathering Increased Science (AEGIS), используемую для нацеливания его прибора SuperCam [Verma et al., 2023], и алгоритм адаптивного отбора проб, используемый рентгеновским флуоресцентным спектрометром Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry (PIXL) [Lawson et al., 2025]. Но OBP примечателен тем, что управляет всей системой марсохода.

Учитывая, что Perseverance является уникальным активом, разработка и отправка которого на Марс стоила миллиарды долларов, OBP был разработан для экстремальной надёжности.

Программное обеспечение находится в почти непрерывной эксплуатации для Perseverance с октября 2023 года. По состоянию на сентябрь 2026 года OBP охватил более 450 тактических циклов планирования, охватывающих более 1 000 солов. И ожидается, что он останется под контролем до конца миссии марсохода.

Процесс развёртывания был тщательно разработан, чтобы гарантировать, что операционный персонал марсохода сможет использовать его для максимальной производительности.

Сначала персонал использовал версию бортового планировщика в наземных операциях более года, чтобы ознакомиться с возможностями OBP. Эта версия также включала возможности объяснения, которые помогли команде понять, как OBP будет работать на борту.

Во-вторых, операционный персонал марсохода неоднократно встречался с персоналом научных приборов для обзора операционных процессов для каждого прибора. В ходе этих встреч команды приборов перешли от давней парадигмы ожидания фиксированного времени выполнения своих действий к указанию диапазонов времени, в течение которых действия могут быть выполнены — на основе требований безопасности и науки — и принятию того, что OBP будет выполнять их в этих диапазонах.

В-третьих, серия всё более реалистичных и всеобъемлющих операционных проходов команды миссии завершилась испытаниями готовности OBP на земле и тремя лётными испытаниями на аппарате. Обучение также включало «лётную школу», в которой большая часть операционной команды изучила основы работы OBP и получила представление об автономных операциях.

Этот процесс тестирования и обучения способствовал плавному развёртыванию программного обеспечения и, когда пришло время, плавному переходу от MSM к OBP во время миссии Mars 2020.

На Марс и за его пределы

Успешное развёртывание OBP поможет исследовательскому сообществу продвинуться вперёд в понимании технологии и того, как её можно использовать для будущих роботизированных исследователей как на Земле, так и за её пределами.

OBP на Perseverance — это беспрецедентное использование ИИ для крупной миссии, и его успешное развёртывание поможет исследовательскому сообществу продвинуться вперёд в понимании технологии и того, как её можно использовать для будущих роботизированных исследователей как на Земле, так и за её пределами. Уроки, извлечённые из опыта продвижения OBP и разработки, верификации, валидации и развёртывания такой значительной возможности ИИ, также могут послужить основой для многих подобных будущих усилий, таких как потенциальные концепции Uranus Orbiter and Probe и лунохода Endurance.

Например, важно, чтобы все, кто участвует в миссии — включая научные, приборные и робототехнические команды — понимали свободу (и ограничения), которую OBP имеет для изменения времени (а иногда и характера) действий, и позволяли этим командам указывать гибкость, подходящую для каждого действия. Также важно, чтобы инженерная операционная команда имела инструменты для прогнозирования диапазона возможных результатов плана, составленного OBP, и понимания после факта, что OBP решил сделать и почему. Это понимание производительности OBP обеспечивает безопасную и эффективную работу марсохода при достижении желаемой науки.

При всей своей автономности OBP всё ещё полагается на наземный контроль для стратегических научных и операционных решений. Будущие концепции миссий, включающие путешествие в более отдалённые и враждебные среды — такие как концепция миссии Europa Lander и концепция миссии Exobiology Extant Life Surveyor (EELS) к поверхности Энцелада — будут иметь более ограниченную связь с Землёй и более короткие сроки миссии, и будут иметь дело с ещё более неизвестными и экстремальными средами. Таким образом, им потребуется ещё большее использование ИИ для балансирования риска и вознаграждения при принятии важных решений без человеческого надзора. Действительно, и Europa Lander, и EELS прототипировали такие системы, которые балансировали бы риск и вознаграждение. Другие предложенные миссии, такие как Enceladus Orbilander, выиграли бы от аналогичного подхода.

Тем не менее, если и когда эти будущие миссии состоятся, мы почти наверняка сможем проследить успех управляющих ими программных систем до инноваций OBP Perseverance.

Источники: Eos; Chien, S., R. Francis, and D. Gaines (2026), The AI upgrade helping Perseverance work smarter on Mars, Eos, 107, https://doi.org/10.1029/2026EO260340.