Het uitzicht op de Zee van Rust die oprijst om Neil Armstrong te ontmoeten tijdens de eerste astronaut die op de maan landde, was niet wat de planners van de Apollo 11-missie hadden bedoeld. Ze hadden gehoopt de maanmodule Eagle naar een relatief vlakke landingszone met weinig kraters te sturen, rotsen en keien. In plaats daarvan, tuurt door zijn kleine, driehoekig commandantvenster, Armstrong zag een keienveld - erg onvriendelijk voor een maanmodule. Dus de commandant van de Apollo 11 nam de afdaling over vanaf de boordcomputer, het besturen van Eagle tot ver buiten het keienveld, naar een landingsplaats die voor altijd bekend zal staan ​​als Tranquility Base.

"Er waren maanlandingen met robotruimtevaartuigen vóór Apollo 11, " zei Al Chen, binnenkomst, afdaling en landingsleiding voor NASA's Mars 2020-missie in het Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, Californië. "Maar nooit eerder had een ruimtevaartuig op een afdaling naar het oppervlak zijn baan veranderd om uit de buurt van gevaar te manoeuvreren."

Chen en zijn collega's van Mars 2020 hebben ervaring met het landen van ruimtevaartuigen op de Rode Planeet zonder de hulp van een astronaut met stalen ogen aan de stick. Maar Mars 2020 is op weg naar NASA's grootste Mars-uitdaging tot nu toe. Jezero Crater is een 28 mijl brede (45 kilometer brede) inkeping vol steile kliffen, duinen, keienvelden en kleine inslagkraters. Het team wist dat om te proberen te landen op Jezero - en met een rover die 50% meer laadvermogen had dan de Curiosity-rover, die op een meer goedaardige locatie in de buurt van Mount Sharp landde - ze zouden hun spel moeten verbeteren.

"Wat we nodig hadden was een Neil Armstrong voor Mars, "zei Chen. "Wat we bedachten was Terrain-Relative Navigation."

Aan boord van Mars 2020 gedragen, Terrain-Relative Navigation (TRN) is een automatische piloot die tijdens de landing snel de locatie van het ruimtevaartuig kan bepalen - en nog belangrijker, bereken zijn toekomstige locatie op het oppervlak van Mars. Aan boord, de computer van de rover slaat een kaart op met gevaren in Jezero Crater, en als het berekende landingspunt te gevaarlijk wordt geacht, TRN zal de daalfase van Mars 2020 besturen om de rover naar het veiligst bereikbare landingspunt te vliegen.

Een tweedelig systeem

Om een ​​Apollo-maanmodule op de maan te laten landen, was een bemanning van twee nodig (Armstrong liet Buzz Aldrin hem informatie geven over hun traject). Hetzelfde, Terrain-Relative Navigation bestaat eigenlijk uit twee systemen die samenwerken:het Lander Vision-systeem en het Safe Target Selection-systeem.

"De eerste helft van Terrain-Relative Navigation is het Lander Vision System [LVS], die bepaalt waar het ruimtevaartuig zich boven het oppervlak van Mars bevindt, " zei Andrew Johnson, begeleiding navigatie en controle subsysteemmanager voor Mars 2020. "Als je het snel zegt - LVS - begrijp je waarom de onofficiële mascotte van het team Elvis Presley is."

De operationele levensduur van LVS is 25 seconden. Het komt tot leven op ongeveer 13, 000 voet (3, 960 meter), een camera op de rover opdracht geven om snel foto na foto te maken van het oppervlak van Mars terwijl hij nog steeds aan een parachute afdaalt. LVS onderzoekt één beeld per seconde, elk in vierkanten breken die ongeveer 5 beslaan, 000 voet (1, 520 meter) oppervlakte.

Echter, in tegenstelling tot Neil Armstrong, De realtime analyse van LVS is niet op zoek naar specifieke kraterranden of bergtoppen. In plaats daarvan, in elk van die dozen, of oriëntatiepunten, het systeem zoekt naar unieke patronen in contrasterend licht en donker, gecreëerd door oppervlaktekenmerken zoals kliffen, kraters, keienvelden en bergen. Het vergelijkt vervolgens elk ongewoon patroon met een kaart in zijn geheugen. Als het vijf oriëntatiepunten vindt in de modus Coarse Landmark Matching, het neemt een ander beeld en herhaalt het proces.

Na drie succesvolle vergelijkingen tussen afbeeldingen en kaarten, LVS begint in een modus genaamd Fine Landmark Matching. Dan breekt het systeem het oppervlak in dozen van 125 meter breed, scannen naar unieke patronen en deze vergelijken met de kaart. LVS is op zoek naar ten minste 20 overeenkomsten in die ene seconde van het bekijken van een afbeelding, maar maakt meestal veel meer - tot 150 - om een ​​nog nauwkeuriger plot van het traject van Mars 2020 te genereren.

"Elke keer dat er een passend aantal overeenkomsten in een afbeelding wordt gemaakt, in zowel Course als Fine Landmark Matching, LVS update waar het ruimtevaartuig zich op dat moment bevindt, " zei Johnson. "Die update wordt vervolgens ingevoerd in het Safe Target Selection-systeem."

Dit tweede deel van het Terrain-Relative Navigation-systeem maakt gebruik van de positieoplossing van LVS, berekent waar het zal landen en vergelijkt het vervolgens met een andere kaart aan boord, deze toont gebieden binnen de landingszone waarvan wordt aangenomen dat ze goed zijn om te landen ... of het soort met kraters, kliffen, keien of rotsen velden. Als de uitgezette locatie niet geschikt is, Veilige doelselectie kan het lot van de rover veranderen, het landingspunt met maximaal 2 verplaatsen, 000 voet (600 meter).

Op de proef gesteld

Terwijl Safe Target Selection-operaties kunnen worden onderzocht in een computertestbed binnen de grenzen van JPL, optische gegevens verzamelen, het team moest verder weg:de Mojave-woestijn en Death Valley.

Gedurende drie weken in april en mei 2019, LVS vloog 17 vluchten bevestigd aan de voorkant van een helikopter, het nemen en verwerken van beeld na beeld over het Mars-achtige terrein van Kelso Dunes, Gat in de muur, lavabuis, Slecht water, Panamint Valley en Mesquite Flat Dunes.

"We vlogen vlucht na vlucht, het daalprofiel van het ruimtevaartuig nabootsen, " zei Johnson. "In elke vlucht voerden we meerdere runs uit. Elke run imiteerde in wezen een landing op Mars."

Globaal genomen, het equivalent van 659 Mars-landingen vond plaats tijdens de testvluchten.

"De gegevens zijn in - TRN werkt, " zei Chen. "Dat is een goede zaak, want Jezero is waar onze wetenschappers willen zijn. En zonder TRN, de kans op een succesvolle landing op een goede locatie voor de rover is ongeveer 85%. Met TRN, we hebben er vertrouwen in dat we een stijging van ongeveer 99% hebben."

Maar Chen merkt ook snel op dat Mars moeilijk is:slechts ongeveer 40% van alle missies die naar Mars zijn gestuurd - door een ruimteagentschap - is succesvol geland.

"Om verder te gaan moeten we naar het verleden kijken, en in dat opzicht wie beter dan de eerste?" zei Chen. "In een interview zo'n 35 jaar na Apollo 11, Neil Armstrong zei:'Ik denk dat we heel hard hebben geprobeerd niet overmoedig te zijn. Want als je overmoedig wordt, dat is wanneer er iets knapt en je bijt.'"

Houd daar rekening mee, het werk van het Mars 2020 TRN-team eindigt pas op 18 februari, 2021, even na 12.00 uur PST (15.00 uur EST), wanneer hun rover landt op Jezero Crater. Maar het is ook nog maar een begin:de autonome precisiebegeleiding van Terrain-Relative Navigation zou essentieel kunnen zijn om mensen veilig op zowel de maan als Mars te laten landen. TRN kan ook nuttig zijn voor het landen van apparatuur in meerdere drops voor een menselijke bemanning op een van beide werelden - of andere onderweg te verkennen.

JPL bouwt en beheert de operaties van de Mars 2020-rover voor het NASA Science Mission Directorate op het hoofdkantoor van het bureau in Washington.