Landing af Mars 2020-roveren:Autopiloten vil autonomt undgå terrænfarer

Udsigten til Sea of ​​Tranquility, der rejser sig for at møde Neil Armstrong under den første astronaut, der lander på Månen, var ikke, hvad Apollo 11-missionsplanlæggerne havde tænkt sig. De havde håbet at sende månemodulet Eagle mod en forholdsvis flad landingszone med få kratere, sten og kampesten. I stedet, kigger gennem sin lille, trekantet kommandørvindue, Armstrong så et kampestensfelt - meget uvenligt for et månemodul. Så Apollo 11-kommandøren tog kontrol over nedstigningen fra den indbyggede computer, piloterer Eagle langt ud over kampestensfeltet, til et landingssted, der for altid vil blive kendt som Tranquility Base.

"Der havde været månelandinger med robotrumfartøjer før Apollo 11, " sagde Al Chen, indgang, nedstignings- og landingsled til NASAs Mars 2020-mission ved Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Californien. "Men aldrig før havde et rumfartøj på en nedstigning mod dets overflade ændret sin bane for at manøvrere ud af skade."

Chen og hans Mars 2020-kolleger har erfaring med at lande rumfartøjer på den røde planet uden hjælp fra en ståløjet astronaut ved pinden. Men Mars 2020 er på vej mod NASAs største Mars-udfordring endnu. Jezero Crater er en 45 kilometer bred fordybning fuld af stejle klippesider, klitter, kampestensmarker og små nedslagskratere. Holdet vidste, at for at forsøge at lande ved Jezero - og med en rover, der havde 50 % mere nyttelast end Curiosity-roveren, som landede på et mere venligt sted nær Mount Sharp - de ville være nødt til at øge deres spil.

"Det, vi havde brug for, var en Neil Armstrong til Mars, " sagde Chen. "Det, vi fandt på, var terræn-relativ navigation."

Båret ombord Mars 2020, Terrain-Relative Navigation (TRN) er en autopilot, der under landing hurtigt kan finde ud af rumfartøjets placering – og endnu vigtigere, beregne dens fremtidige placering på Mars-overfladen. Ombord, roverens computer gemmer et kort over farer i Jezero Crater, og hvis det beregnede landingspunkt anses for at være for farligt, TRN vil kommandere Mars 2020's nedstigningstrin for at flyve roveren til det sikrest tilgængelige landingspunkt.

Et todelt system

At lande et Apollo-månemodul på Månen krævede en besætning på to (Armstrong fik Buzz Aldrin til at give ham information om deres bane). Ligeledes, Terræn-relativ navigation er faktisk to systemer, der arbejder sammen:Lander Vision-systemet og Safe Target Selection-systemet.

"Den første halvdel af terræn-relativ navigation er Lander Vision System [LVS], som bestemmer, hvor rumfartøjet er over Mars-overfladen, " sagde Andrew Johnson, vejledning navigation og kontrol undersystem manager for Mars 2020. "Hvis du siger det hurtigt - LVS - vil du forstå, hvorfor holdets uofficielle maskot er Elvis Presley."

LVS's driftslevetid er hele 25 sekunder. Den kommer til live omkring 13. 000 fod (3, 960 meter), kommanderer et kamera på roveren til hurtigt at tage billede efter billede af Mars-overfladen, mens den stadig falder ned i en faldskærm. LVS gransker et billede i sekundet, opdele hver i firkanter, der dækker omkring 5, 000 fod (1, 520 meter) overfladeareal.

Imidlertid, i modsætning til Neil Armstrong, LVS's realtidsanalyse leder ikke efter specifikke kraterkanter eller bjergtoppe. I stedet, inde i hver af disse kasser, eller vartegn, systemet leder efter unikke mønstre i kontrasterende lys og mørke skabt af overfladeegenskaber som klipper, kratere, kampestensmarker og bjerge. Den sammenligner derefter ethvert usædvanligt mønster med et kort i sin hukommelse. Når den finder fem landemærke-matches i tilstanden Coarse Landmark Matching, den tager endnu et billede og gentager processen.

Efter tre vellykkede billed-til-kort-sammenligninger, LVS starter en tilstand kaldet Fine Landmark Matching. Det er, når systemet deler overfladen op i kasser 410 fod (125 meter) på tværs, scanne for unikke mønstre og sammenligne dem med kortet. LVS leder efter mindst 20 matches i det ene sekund med at se et billede, men laver normalt meget mere - op til 150 - for at generere et endnu mere nøjagtigt plot af Mars 2020's bane.

"Hver gang der laves et passende antal kampe i et billede, i enten Kursus eller Fin Landmark Matching, LVS opdaterer, hvor rumfartøjet er i det øjeblik, " sagde Johnson. "Den opdatering føres derefter ind i Safe Target Selection-systemet."

Denne anden del af Terrain-Relative Navigation-systemet bruger LVS's positionsløsning, beregner, hvor det vil lande og sammenligner det derefter med et andet indbygget kort, denne, der skildrer områder inden for landingszonen, menes at være enten god til landing ... eller den slags med kratere, klippesider, kampesten eller stenmarker. Hvis den indtegnede placering ikke er egnet, Safe Target Selection kan ændre roverens skæbne, flytte sit landingspunkt med op til 2, 000 fod (600 meter).

Sæt på prøve

Mens Safe Target Selection-operationer kan undersøges i en computertestbed inden for rammerne af JPL, at indsamle optiske data, holdet havde brug for at komme længere væk:Mojave-ørkenen og Death Valley.

Over tre uger i april og maj 2019, LVS fløj 17 flyvninger knyttet til fronten af ​​en helikopter, at tage og behandle billede efter billede over det Mars-lignende terræn i Kelso Dunes, Hul-i-væggen, Lava rør, Badwater, Panamint Valley og Mesquite Flat Dunes.

"Vi fløj flyvning efter flyvning, efterligning af rumfartøjets nedstigningsprofil, " sagde Johnson. "I hver flyvning udførte vi flere løb. Hvert løb efterlignede i det væsentlige en Mars-landing."

Alt i alt, svarende til 659 Mars-landinger fandt sted under testflyvningerne.

"Dataene er i - TRN fungerer, " sagde Chen. "Hvilket er en god ting, fordi Jezero er, hvor vores videnskabsmænd ønsker at være. Og uden TRN, oddsene for vellykket landing på en god placering for roveren er cirka 85%. Med TRN, vi føler os sikre på, at vi er oppe omkring 99 %."

Men Chen er også hurtig til at bemærke, at Mars er hård:Kun omkring 40 % af alle missioner sendt til Mars – af ethvert rumagentur – er landet med succes.

"For at komme længere må vi se til fortiden, og i den henseende, hvem er bedre end den første?" sagde Chen. "I et interview omkring 35 år efter Apollo 11, Neil Armstrong sagde, 'Jeg tror, ​​vi har prøvet meget for ikke at være overmodige. For når du bliver overmodig, det er, når noget springer op og bider dig.'"

Vær opmærksom på det, Mars 2020 TRN-teamets arbejde afsluttes først den 18. februar, 2021, lidt efter kl.12. PST (15.00 EST), når deres rover lander på Jezero Crater. Men det er også kun en begyndelse:Terrain-Relative Navigation's autonome præcisionsvejledning kan vise sig at være essentiel for at lande mennesker sikkert på både Månen og Mars.TRN kan også være nyttigt til at lande udstyr i flere fald foran et menneskeligt besætning på begge verdener – eller andre skal udforskes hen ad vejen.

JPL bygger og vil styre driften af ​​Mars 2020-roveren for NASA Science Mission Directorate ved agenturets hovedkvarter i Washington.