Wie AutoNav Perseverance zum Fahrrekord abseits der Erde verhalf

Am 11. Oktober trug eine 91,31 Meter lange Fahrt Perseverance über einen Rekord hinaus, der seit Opportunity Bestand hatte. Der Kilometerzähler des Rovers erreichte 28,10 Meilen (45,22 km) und liegt damit über Opportunitys 28,06 Meilen (45,16 km). Der Vorsprung beträgt nach meiner Rechnung aus den beiden NASA-Angaben rund 60 m. Der größere Unterschied liegt in der Zeitspanne: Perseverance legte in fünfeinhalb Jahren eine Strecke zurück, für die Opportunity fast 15 Jahre brauchte.

Räder und Fahrwerk haben sich zwischen den Generationen kaum verändert. Der Unterschied besteht darin, wie viel vom Fahren der Rover inzwischen selbst entscheidet.

01Was der Rekord zeigt – und was nicht

Die Mission schreibt den Erfolg ihrer Fahrsoftware AutoNav zu. Laut JPL erfasst der Rover das Gelände während der Fahrt per Kamera, erstellt eine 3D-Gefahrenkarte und plant einen Kurs zwischen Wegpunkten, die Planer auf der Erde festlegen. Die entscheidenden Zahlen:

• Mehr als 90 % der Strecke von Perseverance wurden gefahren, während AutoNav das Gelände bewertete. Beim ersten Marseinsatz von AutoNav auf Spirit und Opportunity lag der Wert bei etwa 5 %.
• Sojourner beurteilte den Weg vor sich anhand von 20 Messpunkten. Perseverance verarbeitet bei jeder Aufnahme 600.000.
• Bei oder nahe der Höchstgeschwindigkeit kann der Rover bis zu 1.351 Fuß (412 m) pro Sol zurücklegen.

„Von AutoNav bewertet“ bedeutet nicht „unbeaufsichtigt“. Das Ziel wählen weiterhin Menschen. Sie planen die Grobroute anhand von Orbitaufnahmen, etwa vom Mars Reconnaissance Orbiter. Die 412 m sind zudem eine Obergrenze und kein typischer Tag. Teilt man 45,22 km durch 2.006 Sol, ergeben sich etwa 22 m pro Sol. Das ist meine Rechnung; der Durchschnitt fällt niedrig aus, weil Wissenschaftsstopps, Probenentnahmen und eingeschränkte Fahrfenster den Zeitplan dominieren.

02Warum frühere Rover krochen

Der Engpass ist die Rechenleistung, nicht die Raddrehzahl. Laut dem Science-Robotics-Aufsatz von Vandi Verma, Mark Maimone und Kollegen behält Perseverance die Motorsteuerungen von Curiosity, eine ähnliche Höchstgeschwindigkeit von rund 4,4 cm/s, dieselbe sechsrädrige Rocker-Bogie-Radaufhängung und einen auf dem RAD750 basierenden Hauptrechner mit 133 MHz. Dieser Prozessor ist strahlungsgehärtet und langsam, und fast 50 % seiner Kapazität gehen an Grundfunktionen des Rovers außerhalb der Navigation.

Bei der Single-CPU-Architektur mussten frühere Rover anhalten, Bilder aufnehmen und die Pfadauswahl abwarten, bevor sich die Räder wieder drehten. Die Mobilitätsseite des JPL beziffert Curiositys autonomen Durchschnitt auf nur 15 bis 18 Meter pro Stunde. Ein Rover, der sich mit rund 150 m/h bewegen kann, verliert so den Großteil seiner Zeit im Stand. Diese Stop-and-think-Strafe erklärt, warum frühere Missionen AutoNav nur nutzten, um Fahrten zu verlängern, die Menschen bereits geplant hatten.

03Denken während der Fahrt: die Architektur

Perseverance geht den Engpass auf zwei Wegen an: mit dedizierter Hardware und einem günstigeren Planungsalgorithmus.

Hardware. Ein zweiter RAD750, das Vision Compute Element (VCE), beschleunigt die Stereoverarbeitung. Das VCE nutzt einen strahlungsgehärteten Xilinx-FPGA für die parallelen Operationen: Bildrektifizierung, Vorfilterung, Stereodisparität und die Bewertung von Merkmalen für die visuelle Odometrie. Da diese Arbeit ausgelagert ist, kann der Rover mit aktivierten AutoNav-Funktionen fast mit voller Geschwindigkeit fahren. Der Science-Robotics-Aufsatz nennt mittlere autonome Geschwindigkeiten von 11,55 m/h für Curiosity und 97,97 m/h für Perseverance. Der neuere Aufsatz zu ENav in den IEEE Transactions on Field Robotics gibt rund 17,3 m/h für Curiosity gegenüber etwa 92 m/h für Perseverance an. Die beiden Arbeiten rechnen unterschiedlich, die Werte sind daher als Gewinn in der Größenordnung zu verstehen und nicht als exaktes Verhältnis.

Planung. Der Planer heißt Enhanced Autonomous Navigation (ENav). Er erstellt aus Stereobildern eine Höhenkarte und bewertet Kandidatenbögen. Anschließend prüft er laut einem JPL-nahen Machine-Learning-Aufsatz mit dem Algorithmus Approximate Clearance Evaluation (ACE), ob die bestplatzierten Pfade sicher sind. ACE ist bewusst günstig ausgelegt. Der Algorithmus schätzt die niedrigste und die höchste Höhe, die jedes Rad im Gelände erreichen könnte, und bewertet dann die ungünstigste Fahrzeugkonfiguration. Das ersetzt die iterative Simulation der Radaufhängung, die für einen RAD750 zu langsam ist. Ein Benchmark auf RAD750-Hardware ergab etwa 12 ms pro ACE-Prüfung. Das Basis-ENav desselben Aufsatzes benötigt pro Planungszyklus rund 4,5 s für 377 solcher Prüfungen. Die aufwendige Prüfung nur auf eine Handvoll Spitzenkandidaten anzuwenden, hält diese Kosten begrenzt.

Der ENav-Aufsatz erklärt, warum das für die radbezogene Bewertung wichtig ist. Frühere Planer arbeiteten mit einem groben Scheibenmodell des Rovers. ENav beurteilt Gefahren dagegen an der Position jedes einzelnen Rads mithilfe von ACE. Dadurch kann er durch felsigeres Gelände fahren, als es ein konservativer Footprint erlauben würde.

04Latenz, Sichtlinie und Drift

Die Kommunikationsverzögerung prägt dieses Design auf eine besondere Weise. Die bindende Grenze ist der einmal pro Sol stattfindende Uplink-Zyklus und nicht allein die Lichtlaufzeit; ein Rover, der anhält, sobald sein von Menschen geplanter Pfad endet, steht deshalb den größten Teil des Tages still. Der ENav-Aufsatz hält fest, dass AutoNav nicht auf Gelände beschränkt ist, das von der Startposition aus sichtbar ist. So kann der Rover weit über die Sichtlinie von etwa 15–50 m hinausfahren, die bei jeder vorgegebenen Fahrt gilt. Die Planer liefern Ziele und Sperrzonen. Die Geometrie im Meterbereich, die Orbitbilder nicht auflösen, übernimmt der Rover.

Der Preis der Autonomie ist der Positionsfehler. Perseverance ortet sich selbst per visueller Odometrie. Laut JPL summieren sich kleine Fehler im Verlauf einer Fahrt. Auf langen Fahrten kann die Positionsschätzung des Rovers um mehr als 100 Fuß (bis zu 35 m) danebenliegen. Die frühere Abhilfe des JPL war ein Bordalgorithmus, der Kamerabilder mit Orbitkarten abgleicht. Maimone beschreibt nun neuere Software, mit der der Rover seine Position mitten in der Fahrt anhand von Orbitkarten prüfen kann. Sie bringe Perseverance außerdem bei, weniger zu lenken und mehr zu rollen. Zahlen zur Leistung dieses Updates hat das JPL nicht veröffentlicht, ihre Wirkung ist daher unquantifiziert.

05Grenzen und offene Probleme

Die erste Grenze ist das Sonnenlicht. Helles Licht kann die Navigationskameras und die Geländeinterpretation der Software stören. Bei Fahrten in Richtung Sonne beenden die Planer das Fahren derzeit bis zum Nachmittag. Maimone nennt das Sonnenlicht selbst die nächste Grenze und sagt, wenn man dem Rover beibringe, an Blendung vorbeizusehen, bekäme jeder künftige Rover einen längeren Arbeitstag.

Die zweite ist, dass ENav über Geometrie urteilt und nicht über Material. Der ENav-Aufsatz nennt Geländeklassifizierung als künftige Arbeit. Damit könnten Rover nichtgeometrische Gefahren wie rutschigen Sand meiden.

Die dritte ist, wie viel der bodenseitigen Planung sich automatisieren lässt. Laut einem Sekundärbericht, der sich auf die JPL-Ankündigung vom Januar 2026 beruft, analysierte im Dezember 2025 ein Vision-Language-Modell Orbitbilder und Höhendaten und erzeugte Wegpunkte für den Rover. Ingenieure prüften die Befehle vor der Übertragung in einer digitalen Nachbildung anhand von mehr als 500.000 Telemetrievariablen. Die Einzelheiten konnte ich nicht anhand der eigenen Mitteilung des JPL verifizieren. Sollte es stimmen, gilt dasselbe Muster wie bei AutoNav: Ein begrenztes Modell schlägt vor, ein konservativer Prüfer entscheidet.

06Lehren für die autonome Robotik

1. Architektur schlägt rohe Rechenleistung. Räder und CPU-Klasse blieben nah an Curiosity. Ein Bildverarbeitungs-Koprozessor und der Wegfall des Stop-and-wait-Zyklus veränderten den Durchsatz um eine Größenordnung.
2. Die teure Prüfung begrenzen. ACE läuft nur auf wenigen bestplatzierten Kandidaten, sodass die Sicherheitskosten im ungünstigsten Fall auf langsamer Hardware planbar bleiben.
3. Autonomie braucht ein Lokalisierungsbudget. Schnelleres Fahren erhöht das Driftrisiko, weshalb der Kartenabgleich mit Orbitdaten wichtig ist.
4. Der Mensch bleibt im Regelkreis. Er legt Ziele und Sperrzonen fest. Autonomie verkürzt die Schleife, beseitigt sie aber nicht.

Die Mission hat noch Spielraum. Die NASA hat eine erste verlängerte Mission genehmigt, die von Oktober bis etwa Ende 2028 läuft. Projektleiter Steven Lee erwartet, dass der Rover diesen Rekord noch viele Jahre weiter ausbaut. Die nächsten Fortschritte hängen von Software wie dem Umgang mit Blendung und der Lokalisierung während der Fahrt ab, nicht von neuer Hardware.