La vista del Mar de la Tranquilidad elevándose para encontrarse con Neil Armstrong durante el primer aterrizaje de un astronauta en la Luna no era lo que los planificadores de la misión del Apolo 11 habían planeado. Tenían la esperanza de enviar el módulo lunar Eagle hacia una zona de aterrizaje relativamente plana con pocos cráteres, rocas y cantos rodados. En lugar de, mirando a través de su pequeño, ventana triangular del comandante, Armstrong vio un campo de rocas, muy poco amigable para un módulo lunar. Entonces, el comandante del Apolo 11 tomó el control del descenso desde la computadora de a bordo, pilotando Eagle mucho más allá del campo de rocas, a un lugar de aterrizaje que siempre será conocido como Tranquility Base.

"Hubo aterrizajes en la Luna con naves espaciales robóticas antes del Apolo 11, "dijo Al Chen, entrada, líder de descenso y aterrizaje para la misión Mars 2020 de la NASA en el Laboratorio de Propulsión a Chorro en Pasadena, California. "Pero nunca antes una nave espacial en un descenso hacia su superficie cambió su trayectoria para maniobrar fuera de peligro".

Chen y sus colegas de Mars 2020 tienen experiencia en el aterrizaje de naves espaciales en el Planeta Rojo sin la ayuda de un astronauta de ojos acerados en el palo. Pero Mars 2020 se dirige hacia el mayor desafío marciano de la NASA hasta el momento. El cráter Jezero es una hendidura de 45 kilómetros de ancho llena de escarpados acantilados, dunas de arena, Campos de cantos rodados y pequeños cráteres de impacto. El equipo sabía que para intentar un aterrizaje en Jezero, y con un rover con un 50% más de carga útil que el rover Curiosity, que aterrizó en un lugar más benigno cerca de Mount Sharp, tendrían que mejorar su juego.

"Lo que necesitábamos era un Neil Armstrong para Marte, ", dijo Chen." Lo que se nos ocurrió fue la navegación relativa al terreno ".

Llevado a bordo de Mars 2020, La navegación relativa al terreno (TRN) es un piloto automático que durante el aterrizaje puede averiguar rápidamente la ubicación de la nave espacial y, lo que es más importante, calcule su ubicación futura en la superficie marciana. A bordo, La computadora del rover almacena un mapa de peligros dentro del cráter Jezero, y si el punto de aterrizaje calculado se considera demasiado peligroso, TRN comandará la etapa de descenso de Mars 2020 para llevar el rover al punto de aterrizaje más seguro y accesible.

Un sistema de dos partes

Para aterrizar un módulo lunar Apolo en la Luna se requirió una tripulación de dos (Armstrong hizo que Buzz Aldrin le diera información sobre su trayectoria). Igualmente, La navegación relativa al terreno son en realidad dos sistemas que trabajan juntos:el sistema de visión Lander y el sistema de selección segura de objetivos.

"La primera mitad de la navegación relativa al terreno es el sistema de visión de aterrizaje [LVS], que determina dónde está la nave espacial sobre la superficie marciana, "dijo Andrew Johnson, administrador del subsistema de navegación y control de orientación para Mars 2020. "Si lo dice rápido, LVS, comprenderá por qué la mascota no oficial del equipo es Elvis Presley".

La vida útil operativa de LVS es de 25 segundos. Cobra vida alrededor de las 13, 000 pies (3, 960 metros), al mando de una cámara en el rover para tomar rápidamente una foto tras otra de la superficie marciana mientras todavía desciende en un paracaídas. LVS examina una imagen por segundo, dividiendo cada uno en cuadrados que cubran alrededor de 5, 000 pies (1, 520 metros) de superficie.

Sin embargo, a diferencia de Neil Armstrong, El análisis en tiempo real de LVS no busca bordes de cráteres o picos de montañas específicos. En lugar de, dentro de cada una de esas cajas, o puntos de referencia, el sistema busca patrones únicos en el contraste de la luz y la oscuridad creados por características de la superficie como acantilados, cráteres, campos de rocas y montañas. Luego compara cualquier patrón poco común con un mapa en su memoria. Cuando encuentra cinco coincidencias de hitos durante el modo Coarse Landmark Matching, toma otra imagen y repite el proceso.

Después de tres comparaciones exitosas de imagen a mapa, LVS entra en un modo llamado Fine Landmark Matching. Ahí es cuando el sistema rompe la superficie en cajas de 410 pies (125 metros) de ancho, escaneando patrones únicos y comparándolos con el mapa. LVS busca al menos 20 coincidencias en ese segundo de mirar una imagen, pero generalmente genera muchas más (hasta 150) para generar una trama aún más precisa de la trayectoria de Marte 2020.

"Cada vez que se crea un número adecuado de coincidencias en una imagen, en el curso o en la combinación de puntos de referencia finos, LVS actualiza dónde se encuentra la nave espacial en ese momento, ", dijo Johnson." Esa actualización se introduce en el sistema de selección segura de objetivos ".

Esta segunda parte del sistema de navegación relativa al terreno utiliza la solución de posición de LVS, calcula dónde aterrizará y luego lo compara con otro mapa a bordo, esta que muestra áreas dentro de la zona de aterrizaje que se entiende que son buenas para aterrizar ... o del tipo con cráteres, acantilados, cantos rodados o campos de rocas. Si la ubicación trazada no es adecuada, Safe Target Selection puede cambiar el destino del rover, moviendo su punto de aterrizaje hasta en 2, 000 pies (600 metros).

Poner a prueba

Si bien las operaciones de Safe Target Selection se pueden investigar en un banco de pruebas informático dentro de los límites de JPL, para recopilar datos ópticos, el equipo necesitaba ir más lejos:el desierto de Mojave y el Valle de la Muerte.

Durante tres semanas en abril y mayo de 2019, LVS voló 17 vuelos conectados a la parte delantera de un helicóptero, tomando y procesando imagen tras imagen sobre el terreno similar a Marte de las Dunas Kelso, Agujero en la pared, Tubo de lava, Agua mala, Panamint Valley y Mesquite Flat Dunes.

"Volamos vuelo tras vuelo, imitando el perfil de descenso de la nave espacial, "dijo Johnson." En cada vuelo realizamos múltiples carreras. Cada carrera imitó esencialmente un aterrizaje en Marte ".

Considerándolo todo, el equivalente a 659 aterrizajes en Marte tuvo lugar durante los vuelos de prueba.

"Los datos están en ... TRN funciona, "dijo Chen." Lo cual es bueno porque Jezero es donde nuestros científicos quieren estar. Y sin TRN, las probabilidades de un aterrizaje exitoso en una buena ubicación para el rover son aproximadamente del 85%. Con TRN, estamos seguros de que hemos subido alrededor del 99% ".

Pero Chen también se apresura a notar que Marte es difícil:solo alrededor del 40% de todas las misiones enviadas a Marte, por cualquier agencia espacial, han aterrizado con éxito.

"Para ir más lejos tenemos que mirar al pasado, y en ese sentido, ¿quién mejor que el primero? ", dijo Chen." En una entrevista unos 35 años después del Apolo 11, Neil Armstrong dijo:Creo que nos esforzamos mucho por no tener demasiada confianza. Porque cuando te sientes demasiado confiado, ahí es cuando algo se rompe y te muerde '".

Consciente de eso, el trabajo del equipo de Mars 2020 TRN concluirá solo el 18 de febrero de 2021, un poco después de las 12 p.m. PST (3 p.m. EST), cuando su vehículo se posa en el cráter Jezero. Pero también es solo el comienzo:la guía de precisión autónoma de la navegación relativa al terreno podría resultar esencial para el aterrizaje seguro de humanos en la Luna y Marte. para ser explorado en el camino.

JPL está construyendo y administrará las operaciones del rover Mars 2020 para la Dirección de Misiones Científicas de la NASA en la sede de la agencia en Washington.