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NASA下一部月球车将运行开源软件,以寻找可用于制备火箭燃料的固态水

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DeepTech深科技 2021-04-15 20:42
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NASA 将在 2023 年发射 VIPER(挥发性物质调查用极地探险车),它会行驶于月球表面,寻找有朝一日可用于制备火箭燃料的固态水。这台月球车将装备 NASA 所能拥有的最顶级的仪器设备和工具,包括能在月壤上正常旋转的车轮和能在地外环境进行挖掘的钻头,这些硬件设备可以经受住长达十四天、气温低至 -173℃ 的月夜的考验。

但是,尽管 VIPER 在很大程度上是独一无二、专为其任务而定制的,它运行的许多软件却是开源的,这意味着任何人都可以出于任何目的而使用、修改或传播它。如果能成功的话,这次任务不仅将为未来的月球殖民地打下基石,它可能还会成为一个拐点,能让航天工业换个角度去思考如何开发和操作自动化机械设备。

图 | 一位艺术家制作的 VIPER 在月球上的渲染图(来源:NASA)

我们在谈论航天任务时很少会想到开源技术,造一个能发射到太空、顺利抵达目的地、并在离地球成百上千(甚至上万乃至几十万)英里远的地方完成一系列特定任务的东西往往成本不菲。

人们会自然而然地把与其相关的知识视若珍宝、严加看管。相比之下,开源软件则更多地与小型项目的蹩脚编程相联系,比如黑客马拉松活动和学生展示之类的,充斥于 GitHub 等在线库中的代码通常是缺少资金、没有从零开始写代码的资源的团队所采用的廉价解决方案。

但是,航天工业正在迅速扩张,这在很大程度上是因为存在大量进入太空的需求。这也就意味着需要使用成本更低、更易获得的技术,软件也包括其中。

就算是对于 NASA 这样不差钱的巨头来说,开源方法也终将带来软件层面上的加强。“我想说,目前的飞行软件,在航天领域中非常平庸,”旅行者太空控股(Voyager Space Holdings)的主席兼 CEO 迪伦·泰勒 (Dylan Taylor)说。

此话的背景是,波音的 Starliner 飞船在 2019 年由于软件故障试飞失败了,如果它是开源的,哪怕是最聪明的科学家,也可以像业余的开发者一样,利用更多人的专业知识和反馈来解决问题。

基本上,如果它符合 NASA 的要求,那它就应该能满足任何在太空中操纵自动机械的需求。想以低成本发射卫星和探测器的企业和国家机构在世界各地不断涌现,对于他们来说,能够自如应对航天任务这种高风险情境的廉价自动化机械软件是重大利好。

开源软件也有助于降低前往太空的成本,因为它会带来人人都可采纳和使用的标准,定制代码的高成本将不复存在,新任的工程师通常都使用过开源框架。“如果我们对这一点加以利用,让他们能在飞行任务中运用更多在学校学到的东西,那将会缩短他们的适应过程,”泰瑞·方(Terry Fong)说。

他是 NASA 在加州山景城的埃姆斯(Ames)研究中心的智能机器人团队负责人,也是 VIPER 任务的副领队,泰瑞还表示,“它让我们能更快地把研究领域中的突破运用到飞行任务中。”

在过去 10 到 15 年间,NASA 已经在许多研究与发展(R&D)项目中运用过开源软件了——它保留着大量使用过的开源代码的目录,但这项技术在自动化航天机械中的实际应用尚无太多先例。

“机器人操作系统(ROS)”是 NASA 试验过的系统之一,它是由总部同样位于山景城的非营利组织“开放机器人”(Open Robotics)进行维护和更新的一组开源软件框架,ROS 已经在国际空间站的科研助理机器人 Robonaut2 号上应用过了,目前正在国际空间站里飞来飞去、帮助宇航员开展日常工作的自动化机器人 Astrobee 也使用了 ROS。

ROS 将会运行和推进对于所谓“地面飞行控制”至关重要的一系列任务,VIPER 将由 NASA 的地面人员操纵,地面飞行控制会运用 VIPER 搜集到的数据来绘制实时地图,并渲染月面环境以供月球车操作人员进行安全导航。

这台月球车软件的其它部分也有开源的 root:譬如遥感和内存管理等基本功能是由一个被称作核心飞行系统(cFS)的车载程序负责的,这个程序由 NASA 自行研发并发布于 GitHub 上,可以免费使用。VIPER 在月球车本体之外的其它任务操作则由 Open MCT 负责处理,这也是 NASA 自研的。

相比于火星,月球的环境很难在地球上进行模拟,这意味着对月球车的软硬件构件开展测试并非易事。泰瑞·方表示,对于这次任务而言,依靠包括开源软件在内的数字模拟来对月球车的构件进行测试是更合理的选择。

这次任务选择依靠开源软件的另一个原因是,月球离地球足够近,可以对月球车进行基本上是实时的控制,这意味着可以在地面上运行某些软件,而不必将其挂载在月球车上。

“我们决定把月球车的大脑分置于地球和月球上,”泰瑞·方说,“这样一来,我们就有可能去使用不受辐射、艰苦的飞行和计算能力限制的软件,我们可以把成品的商业软件直接拿来用。所以我们可以在地面上使用比如 ROS 这种很多人很常用的软件。我们不用完全依靠定制软件。”

VIPER 使用的软件也并非百分百开源。例如,它的机载飞行系统用的就是非常可靠的专利软件。但不难想象的是,未来会有更多任务采用并扩展VIPER所使用的软件。“我都怀疑 NASA 的下部月球车要用 Linux 系统了,”泰瑞·方说。

要在所有情况下都使用开源软件是永远都不可能的,安全性可能是个问题,这会让有些机构坚持全部使用专利技术 (尽管开源平台的优势之一是开发者对于发现漏洞和发布补丁非常公开)。泰瑞·方也强调,有些任务对于开源技术来说始终都显得过于专业或先进,它们不能太过依赖开源技术。

尽管如此,转向开源社群的不仅是 NASA,Blue Origin 最近宣布,它将会和数个 NASA 团队进行合作,以开源框架为基础“为自动机械的智能化和自主化编写代码”(但该公司拒绝透露合作细节)。

体量更小的创业公司——比如总部位于希腊、为小型卫星提供开源硬件和软件的“自由太空基金”(Libre Space Foundation)——势必会随着航天飞行成本的降低而受到更多关注。Open Robotics 的 CEO 布莱恩·格尔基(Brian Gerkey)说:“这是个多米诺骨牌效应。一旦有像 NASA 这种的大型机构公开说‘我们要依靠这个软件了’,就会有其它机构想抓住风口,它们会投身其中,完成那些让这个软件可堪 NASA 之用的必要工作。”

-End-

翻译:姜晓鲲

原文:

https://www.technologyreview.com/2021/04/12/1022420/nasa-lunar-rover-viper-open-source-software/

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