A visão do Mar da Tranquilidade levantando-se para encontrar Neil Armstrong durante o primeiro desembarque de astronautas na Lua não era o que os planejadores de missão da Apollo 11 pretendiam. Eles esperavam enviar o módulo lunar Eagle para uma zona de pouso relativamente plana, com poucas crateras, pedras e pedregulhos. Em vez disso, olhando através de sua pequena janela triangular do comandante, Armstrong viu um campo de rochas – muito hostil para um módulo lunar. Assim, o comandante da Apollo 11 assumiu o controle da descida do computador de bordo, pilotando Eagle bem além do campo de rochas, até um local de pouso que sempre será conhecido como Base de Tranquilidade.
“Houve pouso na Lua com espaçonaves robóticas antes da Apollo 11”, disse Al Chen, líder de entrada, descida e aterrissagem da missão Mars 2020 da NASA no Jet Propulsion Laboratory, em Pasadena, Califórnia. “Mas nunca antes uma nave espacial em uma descida em direção à sua superfície mudou sua trajetória para manobrar fora de perigo.”
Chen e seus colegas em Marte 2020 têm experiência em pousar espaçonaves no Planeta Vermelho sem a ajuda de um astronauta de olhos de aço no bastão. Mas o Marte 2020 está voltado para o maior desafio marciano da NASA até o momento. A Cratera Jezero é um recuo de 45 quilômetros de largura, cheio de penhascos íngremes, dunas de areia, campos de pedregulhos e pequenas crateras de impacto. A equipe sabia que, para tentar aterrissar em Jezero – e com um rover transportando 50% mais carga útil do que o rover Curiosity, que pousou em um local mais benigno perto do Monte Sharp – eles teriam que melhorar o jogo.
“O que precisávamos era de um Neil Armstrong para Marte”, disse Chen. “O que nós inventamos foi a navegação relativa ao terreno”.
Transportado a bordo do Mars 2020, o Terrain-Relative Navigation (TRN) é um piloto automático que, durante o pouso, pode descobrir rapidamente a localização da espaçonave – e, mais importante, calcular sua localização futura – na superfície marciana. A bordo, o computador do rover armazena um mapa de perigos dentro da Cratera Jezero, e se o ponto de pouso calculado for considerado muito perigoso, a TRN comandará o estágio de descida da Mars 2020 para levar o jipe ??ao ponto de pouso mais seguro.
Um sistema de duas partes
Para pousar um módulo lunar da Apollo na Lua, foi necessária uma tripulação de dois (Armstrong fez com que Buzz Aldrin lhe fornecesse informações sobre sua trajetória). Da mesma forma, a navegação relativa ao terreno é, na verdade, dois sistemas trabalhando juntos: o sistema de visão da Lander e o sistema de seleção de alvos seguros.
“A primeira metade da Navegação relativa ao terreno é o Lander Vision System [LVS], que determina onde a espaçonave está sobre a superfície marciana”, disse Andrew Johnson, gerente de subsistema de navegação e controle de navegação da Mars 2020. – LVS – você vai entender porque o mascote não oficial da equipe é Elvis Presley. “
A vida útil do LVS é de 25 segundos. Ele ganha vida a cerca de 13.000 pés (3.960 metros), comandando uma câmera no veículo espacial para capturar rapidamente foto após imagem da superfície marciana enquanto ainda desce em um paraquedas. O LVS examina uma imagem por segundo, dividindo cada uma em quadrados que cobrem cerca de 5.000 pés (1.520 metros) de área de superfície.
No entanto, ao contrário de Neil Armstrong, a análise em tempo real da LVS não procura por bordas de crateras específicas ou picos de montanhas. Em vez disso, dentro de cada uma dessas caixas, ou pontos de referência, o sistema procura por padrões únicos em contraste de luz e escuridão criados por características de superfície como penhascos, crateras, campos de rochas e montanhas. Em seguida, compara qualquer padrão incomum com um mapa em sua memória. Quando encontra cinco partidas de marco durante o modo de Correspondência de Marco Grosso, leva outra imagem e repete o processo.
Depois de três comparações bem sucedidas de imagem a mapa, o LVS entra em um modo chamado Fine Landmark Matching. É quando o sistema quebra a superfície em caixas de 410 pés (125 metros) de diâmetro, examinando padrões únicos e comparando-os com o mapa. O LVS está procurando pelo menos 20 partidas nesse primeiro segundo de uma imagem, mas geralmente faz muito mais – até 150 – para gerar uma trama ainda mais precisa da trajetória de Marte 2020.
A missão de Marte 2020 está enfrentando o pouso mais desafiador ainda no Planeta Vermelho. Ele vai pousar no dia 18 de fevereiro de 2021, na cratera de Jezero, uma extensão de 45 quilômetros de largura, cheia de penhascos íngremes, campos de pedra e outras coisas que poderiam boobytrap o desembarque. Uma nova tecnologia chamada Navegação Relativa ao Terreno (Terrain Relative Navigation – TRN) permitirá que a espaçonave evite os perigos de forma autônoma. É a coisa mais próxima de ter um astronauta pilotando a espaçonave, e a tecnologia beneficiará a futura exploração robótica e humana de Marte. Crédito: Laboratório de Propulsão a Jato
“Cada vez que um número adequado de jogos é feito em uma imagem, seja em Course ou Fine Landmark Matching, o LVS atualiza onde a espaçonave está naquele momento”, disse Johnson. “Essa atualização é então inserida no sistema Safe Target Selection.”
Esta segunda parte do sistema de Navegação Relativa ao Terreno usa a solução de posição do LVS, calcula onde irá aterrissar e depois compara com outro mapa a bordo, este representando áreas dentro da zona de aterrissagem entendida como boa para pouso … ou o tipo com crateras, penhascos, pedras ou campos de rochas. Se o local plotado não for adequado, a Seleção de Alvos Seguros poderá alterar o destino do rover, movendo seu ponto de aterrissagem em até 2.000 pés (600 metros).
Colocando em teste
Enquanto as operações de Seleção de Alvos Seguros podem ser investigadas em um testbed de computador dentro dos limites do JPL, para coletar dados ópticos, a equipe precisava ir mais longe: o Deserto de Mojave e o Vale da Morte.
Ao longo de três semanas em abril e maio de 2019, a LVS voou 17 vôos presos à frente de um helicóptero, capturando e processando imagem após imagem sobre o terreno semelhante a Marte de Kelso Dunes, Hole-in-the-Wall, Lava Tube, Badwater , Vale do Panamint e Dunas planas de Mesquite.
“Voamos de avião em voo, imitando o perfil de descida da espaçonave”, disse Johnson. “Em cada vôo, realizamos várias corridas. Cada corrida essencialmente imitou um pouso em Marte.”
Ao todo, o equivalente a 659 aterrissagens de Marte ocorreu durante os vôos de teste.
“Os dados estão em – TRN funciona”, disse Chen. “O que é bom, porque Jezero é onde nossos cientistas querem estar. E sem a TRN, as chances de um pouso bem-sucedido no rover são de aproximadamente 85%. Com a TRN, estamos confiantes de que estamos em 99%. “
Mas Chen também é rápido em notar que Marte é difícil: apenas cerca de 40% de todas as missões enviadas a Marte – por qualquer agência espacial – aterrissaram com sucesso.
“Para ir mais longe, temos de olhar para o passado e, a esse respeito, quem melhor do que o primeiro?” disse Chen. “Em uma entrevista cerca de 35 anos depois da Apollo 11, Neil Armstrong disse: ‘Acho que tentamos muito não ser confiantes demais. Porque quando você fica confiante demais, é quando alguém se agarra e morde”.
Consciente disso, o trabalho da equipe Marte 2020 TRN será concluído apenas em 18 de fevereiro de 2021, um pouco depois das 12 horas. PST (3 pm EST), quando o seu rover pousa na Cratera Jezero. Mas também é apenas um começo: a orientação de precisão autônoma do Terrain-Relative Navigation pode ser essencial para o pouso de humanos com segurança tanto na Lua quanto no Mar. O TRN também pode ser útil para aterrissar equipamentos em vários pontos à frente de uma tripulação humana no mundo inteiro para ser explorado no caminho.
O JPL está construindo e gerenciará as operações do rover Mars 2020 para o Diretório da Missão Científica da NASA na sede da agência em Washington.
Publicado em 05/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-mars-rover-autopilot-terrain-hazards.html
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