La vista del Mare della Tranquillità che si ergeva per incontrare Neil Armstrong durante il primo atterraggio di un astronauta sulla Luna non era ciò che i pianificatori della missione Apollo 11 avevano previsto. Avevano sperato di inviare il modulo lunare Eagle verso una zona di atterraggio relativamente piatta con pochi crateri, rocce e massi. Anziché, scrutando attraverso il suo piccolo, finestra triangolare del comandante, Armstrong ha visto un campo di massi, molto ostile per un modulo lunare. Quindi il comandante dell'Apollo 11 ha preso il controllo della discesa dal computer di bordo, pilotando Eagle ben oltre il campo sassoso, in un luogo di atterraggio che sarà per sempre conosciuto come Tranquility Base.

"C'erano stati atterraggi sulla Luna con veicoli spaziali robotici prima dell'Apollo 11, " ha detto Al Chen, iscrizione, guida di discesa e atterraggio per la missione Mars 2020 della NASA presso il Jet Propulsion Laboratory di Pasadena, California. "Ma mai prima d'ora un'astronave in discesa verso la sua superficie aveva cambiato la sua traiettoria per sfuggire ai pericoli".

Chen e i suoi colleghi di Mars 2020 hanno esperienza di atterraggio di veicoli spaziali sul Pianeta Rosso senza l'aiuto di un astronauta dagli occhi d'acciaio al bastone. Ma Mars 2020 è diretto verso la più grande sfida marziana della NASA finora. Jezero Crater è una rientranza larga 28 miglia (larga 45 chilometri) piena di ripide scogliere, dune di sabbia, campi di massi e piccoli crateri da impatto. Il team sapeva che per tentare un atterraggio a Jezero, e con un rover che trasportava il 50% in più di carico utile rispetto al rover Curiosity, che sono atterrati in una posizione più favorevole vicino al Monte Sharp, avrebbero dovuto aumentare il loro gioco.

"Ciò di cui avevamo bisogno era un Neil Armstrong per Marte, " ha detto Chen. "Ciò che abbiamo ottenuto è stata la navigazione relativa al terreno."

Trasportato a bordo di Mars 2020, La navigazione relativa al terreno (TRN) è un pilota automatico che durante l'atterraggio può capire rapidamente la posizione del veicolo spaziale e, cosa più importante, calcola la sua posizione futura sulla superficie marziana. A bordo, il computer del rover memorizza una mappa dei pericoli all'interno del cratere Jezero, e se il punto di atterraggio calcolato è ritenuto troppo pericoloso, TRN comanderà la fase di discesa di Mars 2020 per far volare il rover verso il punto di atterraggio più sicuro raggiungibile.

Un sistema in due parti

Per far atterrare un modulo lunare Apollo sulla Luna era necessario un equipaggio di due persone (Armstrong aveva chiesto a Buzz Aldrin di fornirgli informazioni sulla loro traiettoria). Allo stesso modo, La navigazione relativa al terreno è in realtà due sistemi che lavorano insieme:il sistema di visione Lander e il sistema di selezione sicura del bersaglio.

"La prima metà della navigazione relativa al terreno è il Lander Vision System [LVS], che determina dove si trova l'astronave sulla superficie marziana, "ha detto Andrew Johnson, gestione del sottosistema di navigazione e controllo di guida per Marte 2020. "Se lo dici velocemente - LVS - capirai perché la mascotte non ufficiale della squadra è Elvis Presley."

La durata operativa di LVS è di 25 secondi. Si anima verso le 13, 000 piedi (3, 960 metri), comandando a una telecamera sul rover di scattare rapidamente una foto dopo l'altra della superficie marziana mentre si sta ancora scendendo con un paracadute. LVS esamina un'immagine al secondo, rompendo ciascuno in quadrati che ne coprono circa 5, 000 piedi (1, 520 metri) di superficie.

Però, a differenza di Neil Armstrong, L'analisi in tempo reale di LVS non è alla ricerca di bordi di crateri specifici o picchi di montagne. Anziché, dentro ognuna di quelle scatole, o punti di riferimento, il sistema cerca modelli unici nel contrasto chiaro e scuro creati da elementi superficiali come scogliere, crateri, campi di massi e montagne. Quindi confronta qualsiasi modello insolito con una mappa nella sua memoria. Quando trova cinque corrispondenze di punti di riferimento durante la modalità Corrispondenza di punti di riferimento grossolani, prende un'altra immagine e ripete il processo.

Dopo tre confronti riusciti tra immagine e mappa, LVS entra in una modalità chiamata Fine Landmark Matching. Questo è quando il sistema rompe la superficie in scatole di 410 piedi (125 metri) di diametro, scansione per modelli unici e confronto con la mappa. LVS sta cercando almeno 20 corrispondenze in quel secondo di visualizzazione di un'immagine, ma di solito fa molto di più, fino a 150, per generare una trama ancora più accurata della traiettoria di Marte 2020.

"Ogni volta che si crea un numero adeguato di corrispondenze in un'immagine, in corrispondenza del corso o del punto di riferimento fine, LVS aggiorna dove si trova la navicella in quel momento, " ha detto Johnson. "Questo aggiornamento viene quindi inserito nel sistema di selezione sicura dei bersagli".

Questa seconda parte del sistema di navigazione relativa al terreno utilizza la soluzione di posizione di LVS, calcola dove atterrerà e poi la confronta con un'altra mappa di bordo, questo raffigurante aree all'interno della zona di atterraggio ritenute adatte all'atterraggio ... o del tipo con crateri, scogliere, massi o campi rocciosi. Se la posizione tracciata non è adatta, La selezione sicura del bersaglio può cambiare il destino del rover, spostando il suo punto di atterraggio fino a 2, 000 piedi (600 metri).

Mettiti alla prova

Mentre le operazioni di selezione sicura dei bersagli possono essere esaminate in un banco di prova computerizzato entro i confini del JPL, per raccogliere dati ottici, la squadra aveva bisogno di andare più lontano:il deserto del Mojave e la Valle della Morte.

In tre settimane ad aprile e maggio del 2019, LVS ha effettuato 17 voli attaccati alla parte anteriore di un elicottero, prendere ed elaborare un'immagine dopo l'altra sul terreno simile a Marte di Kelso Dunes, Buco nel muro, Tubo di lava, Cattive acque, Panamint Valley e dune piane di Mesquite.

"Abbiamo volato volo dopo volo, imitando il profilo di discesa della navicella spaziale, " ha detto Johnson. "In ogni volo abbiamo eseguito più corse. Ogni corsa imitava essenzialmente un atterraggio su Marte".

Tutto sommato, l'equivalente di 659 atterraggi su Marte ha avuto luogo durante i voli di prova.

"I dati sono in—TRN funziona, " ha detto Chen. "Che è una buona cosa perché Jezero è dove i nostri scienziati vogliono essere. E senza TRN, le probabilità di atterraggio di successo in una buona posizione per il rover sono di circa l'85%. Con TRN, siamo fiduciosi di essere in rialzo di circa il 99%."

Ma Chen è anche pronto a notare che Marte è difficile:solo il 40% circa di tutte le missioni inviate su Marte, da qualsiasi agenzia spaziale, è atterrato con successo.

"Per andare oltre dobbiamo guardare al passato, e sotto questo aspetto chi meglio del primo?" disse Chen. "In un'intervista circa 35 anni dopo l'Apollo 11, Neil Armstrong ha detto, 'Penso che abbiamo cercato molto duramente di non essere troppo sicuri. Perché quando diventi troppo sicuro di te, è allora che qualcosa scatta e ti morde.'"

Memore di ciò, il lavoro del team Mars 2020 TRN si concluderà solo il 18 febbraio, 2021, poco dopo le 12 PST (15:00 EST), quando il loro rover si posa sul cratere Jezero. Ma è anche solo un inizio:la guida di precisione autonoma della navigazione relativa al terreno potrebbe rivelarsi essenziale per far atterrare gli esseri umani in sicurezza sia sulla Luna che su Marte. TRN potrebbe anche essere utile per l'atterraggio di attrezzature in più cadute prima di un equipaggio umano su entrambi i mondi o su altri da esplorare lungo la strada.

Il JPL sta costruendo e gestirà le operazioni del rover Mars 2020 per la direzione della missione scientifica della NASA presso la sede dell'agenzia a Washington.