В рамках амбициозной долгосрочной программы исследования полярного сияния ЕКА ExoMars будет искать следы жизни на Марсе. Миссия требует совершенно новых технологий для самоуправляемых роботов, встроенной автономности и передовых визуальных датчиков местности.
В четвертом десятилетии этого века Европа может принять участие в пилотируемой миссии на Марс, которая станет одной из величайших космических экспедиций человечества за всю историю.
Aurora - это программа ЕКА, направленная на долгосрочное роботизированное и человеческое исследование Солнечной системы с Марсом и Луной в качестве основных целей.
Человеческая миссия на Красную планету будет крупным, многолетним предприятием, требующим фантастических, совершенно новых возможностей, таких как автоматические грузовые суда, заблаговременно размещенные припасы и инструменты, а также спутники связи и навигации на орбите Марса, подобные нынешним земным. Системы GPS.
Ученые и инженеры уже работают над первой роботизированной миссией-предшественником ЕКА, ExoMars, которая должна быть запущена примерно в 2011 году.
ExoMars будет исследовать биологическую среду на Марсе в рамках подготовки к дальнейшей роботизированной, а затем и человеческой деятельности. Данные миссии также обеспечат неоценимый вклад в более широкие исследования экзобиологии - поиск жизни на других планетах.
Основным элементом миссии является колесный роботизированный вездеход, концепция которого аналогична текущей миссии NASA Mars Rover, но имеет другие научные цели и улучшенные возможности.
ExoMars: колесный вездеход, доставленный в драматический прямой заход на посадку
Миссия, скорее всего, будет состоять из космического корабля-носителя, спускаемого модуля, какой-то системы посадки и наземного вездехода, а профиль миссии, вероятно, будет включать драматический прямой подход к Марсу с отброшенным космическим кораблем-носителем. после того, как марсоход отделится для спуска на поверхность.
Марсоход будет использовать солнечные батареи для выработки электроэнергии и будет путешествовать по каменистой оранжево-красной поверхности Марса, перевозя до 12 кг экспериментальной полезной нагрузки, включая первую в мире легкую буровую систему, а также устройство для отбора проб и обработки, а также набор научных инструментов для поиска признаков прошлой или настоящей жизни.
Из-за временной задержки и сложности ExoMars будет самостоятельно перемещаться с использованием «умной» электрооптики для визуального восприятия и интерпретации окружающей местности и сможет работать автономно с помощью интеллектуального бортового программного обеспечения.
Автоматизированное управление - большой шаг вперед
Этот автоматизированный режим работы является большим достижением для ЕКА, давно используемого для управления космическими кораблями напрямую с помощью пилотов-диспетчеров. Новыми будут не только бортовые системы управления марсохода.
«ЭкзоМарсу потребуются совершенно новые методы и технологии для нескольких аспектов системы управления наземным марсоходом, а не просто модернизация того, что у нас есть сегодня», - говорит Майк Маккей, старший диспетчер космического корабля и эксперт по Марсу из ESOC, Центр управления космическими аппаратами ЕКА, в Дармштадте, Германия.
Космические аппараты ЕКА уже давно обладают некоторой способностью принимать независимые решения, основанные на внешних воздействиях. Например, бортовые приборы автоматически отключатся, если внезапно возрастет солнечная радиация, или космический корабль автоматически переключится в диагностический «безопасный режим», если что-то пойдет не так. Но по большей части длинные инструкции должны быть предварительно запрограммированы диспетчерами миссии на Земле и отправлены для последующего, шаг за шагом, выполнения.
И диспетчеры ЕКА никогда раньше не выполняли миссию, которая перемещалась по поверхности другого тела; «Гюйгенс», который успешно приземлился на Титане в 2005 году, был атмосферным зондом, а не спускаемым аппаратом, хотя некоторое время работал после достижения поверхности Титана.
Роботизированная задача: преодолеть километры местности в поисках жизни
В одном из типичных примеров автономной работы вездехода наземные диспетчеры могут передать по радио команду высокого уровня, приказывая ему отправиться в интересное с научной точки зрения место на расстоянии от 500 до 2000 метров и провести научные операции, такие как бурение под поверхность для отбора проб почвы на наличие признаков жизни. Но транспортное средство само справится с деталями перемещения.
Он будет исследовать землю с помощью 3D-камеры, создавать цифровую модель местности, проверять свое текущее местоположение, запускать внутренние симуляции, а затем принимать автономное решение о наилучшем пути следования, основываясь на препятствиях и текущем состоянии вездехода. и соображения риска/ресурсов.
«Затем он сам направится к цели. Мы ожидаем, что точность его цели будет в пределах полуметра на расстоянии 20 метров», - говорит Боб Чессон, глава отдела пилотируемых космических полетов и исследовательских операций в ЕКА. Оперативное управление.
ExoMars получает прибыль от нынешних роботов-исследователей
Как следующее поколение роботов, ExoMars извлечет пользу из уроков, извлеченных из текущего поколения, включая миссию НАСА Mars Explorer Rover (MER), в том числе потребность в улучшенных способностях к передвижению, улучшенном восприятии местности - чтобы избежать соскальзывания с земли - и потребность в большей автономности для пересечения загроможденной местности.
В более ранних миссиях, таких как марсоход НАСА «Соджорнер» в 1997 году, использовался еще менее сложный подход: «Соджорнер» ощущал окружающую местность, но тогда вся обработка и планирование маршрута выполнялись на Земле. «Мы не стесняемся учиться на опыте наших родственных агентств, - говорит Чессон.
Инновационное управление с земли для обеспечения автономной работы
Для ExoMars контроллеры на Земле, скорее всего, будут расположены в «специальной диспетчерской марсохода», аналогичной концепции выделенных диспетчерских (DCR), которые ЕКА теперь устанавливает для отдельных миссий на орбитах планет.
ESOC будет служить в качестве общего центра управления операциями миссии (MOCC), контролируя запуск и раннюю фазу орбиты (LEOP), круиз на Марс, отделение и посадку спускаемого модуля и выход марсохода, с управлением наземных операций марсохода, вероятно, будет выполняться из операционного центра марсохода, расположенного в ALTEC, Инженерном центре передовых логистических технологий, в Турине, Италия.
«Конструкция наземной системы управления марсохода, или наземного сегмента, зависит от научных и эксплуатационных целей марсохода, которые еще не являются окончательными, поэтому наземная система все еще развивается», - говорит Чессон. «В принципе, основные функции телеметрии и телеуправления будут такими же, как и сейчас, но у них будут значительно новые возможности, обеспечивающие автономное функционирование марсохода."
Наземной системе управления потребуются, по крайней мере, вычислительные мощности, чтобы включить высокоуровневые инструменты планирования миссии и позволить контролировать цифровую местность вездехода и 3D-моделирование, планирование наземного пути и траектории, наземное моделирование и тесную интеграцию с контроль полезной нагрузки и научные операции.
«Классические методы прямого управления просто не будут работать, когда мы будем работать на поверхности Марса в неструктурированной среде и со значительной временной задержкой сигнала, - говорит Рейнхольд Бертранд, инженер-планировщик и эксперт по робототехнике в ESOC. «ЭкзоМарс потребует изменений в культуре; мы должны «позволить ребенку идти самостоятельно», пока мы разрабатываем действительно междисциплинарную концепцию операций».