Марсианский GPS: марсоход Perseverance получил способность самостоятельно определять своё местоположение

NASA наделило свой марсоход Perseverance мощной новой способностью — определять своё точное местонахождение на Красной планете, не дожидаясь инструкций с Земли. По сути, шестиколёсный исследователь получил собственную версию GPS.

В отличие от Земли, у Марса нет сети навигационных спутников. Вместо этого роботизированные миссии, включая Perseverance, долгое время полагались на бортовые датчики и камеры, снимки с орбитальных аппаратов и указания от команд миссии, находящейся за миллионы километров, чтобы точно определить своё положение.

«Представьте, что вы одни посреди бескрайней пустыни, без дорог и карт, и у вас есть только один телефонный звонок в день, чтобы спросить: "Где я?"», — рассказала Ванди Верма, специалист по космической роботонике в Лаборатории реактивного движения (JPL) и член инженерной команды Perseverance, в видео, выпущенном 18 февраля, в котором было объявлено об обновлении. «Именно это марсоходу NASA Perseverance приходилось делать на Марсе в течение пяти лет».

«Для точного определения координат ему требовалась помощь людей на Земле», — добавила она. «Но теперь — нет».

С момента посадки в кратере Езеро в феврале 2021 года Perseverance, размером с автомобиль, отслеживал своё положение, анализируя геологические особенности на снимках, сделанных через каждые несколько футов, и учитывая проскальзывание колёс, чтобы оценить пройденное расстояние.

Со временем накапливаются небольшие ошибки, и на длинных маршрутах эти неточности могут привести к тому, что марсоход будет «сомневаться» в своём положении с погрешностью более 35 метров. Если расчёты покажут, что он может находиться слишком близко к опасной местности, ровер может остановиться раньше времени и ждать уточнений с Земли, согласно заявлению NASA.

«Люди должны были сказать ему: "Ты не потерялся, ты в безопасности. Продолжай движение"», — пояснила Верма. «Мы знали, что если решим эту проблему, марсоход сможет проходить гораздо большие расстояния каждый день».

Поскольку Марс находится в среднем на расстоянии около 225 миллионов километров от Земли, задержки связи делают управление в реальном времени невозможным, и такие указания могут занимать целый марсианский день или больше.

Теперь, с новым обновлением под названием Mars Global Localization (Глобальная локализация на Марсе), Perseverance может сопоставлять свои панорамные снимки с орбитальными картами местности, хранящимися на борту, вычислять своё точное положение и продолжать движение по запланированному маршруту, не дожидаясь подтверждения с Земли.

Встроенный алгоритм выполняет сравнение примерно за две минуты и может определить местоположение ровера с точностью до 25 сантиметров, и всё это без помощи людей-операторов, сообщили в NASA. По словам учёных, эта возможность позволяет марсоходу преодолевать значительно большие расстояния, увеличивая объём исследуемой территории и проводимых научных работ.

Команда начала разрабатывать технологию в 2023 году, тестируя алгоритм на снимках с 264 предыдущих остановок ровера. Согласно заявлению агентства, в каждом случае программное обеспечение правильно определяло местоположение Perseverance. Система была успешно использована в ходе штатных операций в начале февраля и снова на этой неделе.

«Мы дали марсоходу новую способность», — заявил Джереми Нэш, инженер-робототехник из JPL, возглавлявший проект под руководством Вермы. «Это была открытая проблема в робототехнике на протяжении десятилетий, и невероятно интересно впервые развернуть это решение в космосе».

Это усовершенствование произошло всего через несколько недель после того, как NASA объявило, что Perseverance совершил свой первый полностью спланированный генеративным искусственным интеллектом маршрут на Марсе.

В том тесте программное обеспечение с ИИ проанализировало те же снимки и данные о рельефе, которые используют люди-операторы (включая снимки с орбитального аппарата NASA Mars Reconnaissance Orbiter), чтобы выявить опасности — такие как камни, крутые склоны и поля валунов, — а затем проложило безопасный маршрут с заданными координатами для следования ровера.

Перед отправкой команд на Марс инженеры тщательно протестировали план, используя детальную цифровую копию марсохода, чтобы убедиться в его безопасном выполнении, сообщило NASA ранее.

Фактически, возможности автономной навигации Perseverance стали настолько эффективными в обнаружении и обходе препятствий, что его дневной пробег теперь ограничен не столько необходимостью избегать опасностей, сколько неопределённостью его точного местоположения.

Такая технология может помочь открыть новую эру более быстрых и автономных исследований не только на Марсе, но и на других мирах, заявила Верма.

«Её можно будет использовать практически для любого другого ровера, который движется быстро и далеко».

Разработка Mars Global Localization знаменует собой важный шаг на пути к полной автономии планетоходов. Ранее процесс верификации местоположения занимал целый цикл: сначала марсоход отправлял снимки на Землю, где специалисты вручную сопоставляли их с орбитальными картами, после чего корректирующие команды отправлялись обратно на Марс. Этот процесс мог занять несколько сол (марсианских суток). Теперь же алгоритм позволяет сократить этот цикл до нескольких минут, высвобождая время для научных исследований и увеличения пройденного пути.

Инженеры JPL подчёркивают, что ключевой сложностью при создании системы было научить алгоритм работать с разницей в ракурсах и освещении. Снимки, сделанные марсоходом с высоты «человеческого роста», и изображения с орбитальных аппаратов, смотрящих сверху, имеют мало общего. Алгоритм использует машинное обучение, чтобы выделять ключевые особенности рельефа, видимые в обоих ракурсах (например, скальные выходы, края кратеров или крупные валуны), и накладывать панораму Perseverance на орбитальный снимок, словно кусочек мозаики.

Эта технология не только повышает эффективность текущей миссии, но и закладывает основу для будущих экспедиций. Для пилотируемых миссий на Марс, которые потребуют передвижения на сотни километров от места посадки, наличие у роверов и скафандров астронавтов подобной автономной системы навигации станет не просто удобством, а жизненно необходимым условием. Возможно, через несколько десятилетий исследователи Красной планеты будут сверяться с картами так же, как мы делаем это на Земле, благодаря технологиям, которые Perseverance испытывает уже сегодня.