La vue de la mer de la tranquillité s'élevant pour rencontrer Neil Armstrong lors du premier atterrissage d'un astronaute sur la Lune n'était pas ce que les planificateurs de la mission Apollo 11 avaient prévu. Ils avaient espéré envoyer le module lunaire Eagle vers une zone d'atterrissage relativement plate avec peu de cratères, rochers et rochers. Au lieu, scrutant à travers son petit, fenêtre du commandant triangulaire, Armstrong a vu un champ de rochers - très hostile pour un module lunaire. Le commandant d'Apollo 11 a donc pris le contrôle de la descente depuis l'ordinateur de bord, piloter Eagle bien au-delà du champ de blocs, vers un site d'atterrissage qui sera à jamais connu sous le nom de base de tranquillité.

"Il y avait eu des atterrissages sur la Lune avec des engins spatiaux robotiques avant Apollo 11, " dit Al Chen, entrée, descente et atterrissage pour la mission Mars 2020 de la NASA au Jet Propulsion Laboratory de Pasadena, Californie. "Mais jamais auparavant un vaisseau spatial en descente vers sa surface n'avait modifié sa trajectoire pour manœuvrer hors de danger."

Chen et ses collègues de Mars 2020 ont fait l'expérience de l'atterrissage d'engins spatiaux sur la planète rouge sans l'aide d'un astronaute aux yeux d'acier au bâton. Mais Mars 2020 se dirige vers le plus grand défi martien de la NASA à ce jour. Le cratère Jezero est une empreinte de 28 milles de large (45 kilomètres de large) pleine de falaises abruptes, dunes de sable, champs de blocs et petits cratères d'impact. L'équipe savait que pour tenter d'atterrir à Jezero et avec un rover transportant 50 % de charge utile en plus que le rover Curiosity, qui a atterri à un endroit plus bénin près du mont Sharp - ils devraient améliorer leur jeu.

"Ce dont nous avions besoin, c'était d'un Neil Armstrong pour Mars, ", a déclaré Chen. "Ce que nous avons proposé, c'est la navigation par rapport au terrain."

Emporté à bord de Mars 2020, La navigation par rapport au terrain (TRN) est un pilote automatique qui, lors de l'atterrissage, peut rapidement déterminer l'emplacement du vaisseau spatial et, plus important encore, calculer son emplacement futur sur la surface martienne. À bord, l'ordinateur du rover stocke une carte des dangers dans le cratère Jezero, et si le point d'atterrissage calculé est jugé trop dangereux, TRN commandera l'étage de descente de Mars 2020 pour faire voler le rover jusqu'au point d'atterrissage le plus sûr et accessible.

Un système en deux parties

Faire atterrir un module lunaire Apollo sur la Lune nécessitait un équipage de deux personnes (Armstrong a demandé à Buzz Aldrin de lui fournir des informations sur leur trajectoire). De même, La navigation par rapport au terrain est en fait constituée de deux systèmes fonctionnant ensemble :le système de vision Lander et le système de sélection de cible sûre.

"La première moitié de la navigation par rapport au terrain est le Lander Vision System [LVS], qui détermine où se trouve le vaisseau spatial au-dessus de la surface martienne, " a déclaré Andrew Johnson, responsable du sous-système de navigation et de contrôle des guidages pour Mars 2020. « Si vous le dites rapidement, LVS, vous comprendrez pourquoi la mascotte non officielle de l'équipe est Elvis Presley. »

La durée de vie opérationnelle de LVS est de 25 secondes. Il prend vie vers 13 ans, 000 pieds (3, 960 mètres), commander une caméra sur le rover pour prendre rapidement photo après photo de la surface martienne tout en descendant sur un parachute. LVS scrute une image par seconde, casser chacun en carrés qui couvrent environ 5, 000 pieds (1, 520 mètres) de superficie.

Cependant, contrairement à Neil Armstrong, L'analyse en temps réel de LVS ne recherche pas des bords de cratère ou des sommets de montagne spécifiques. Au lieu, à l'intérieur de chacune de ces boîtes, ou des repères, le système recherche des motifs uniques dans des contrastes clairs et foncés créés par des éléments de surface tels que des falaises, cratères, champs de rochers et montagnes. Il compare ensuite tout motif inhabituel avec une carte dans sa mémoire. Lorsqu'il trouve cinq correspondances de points de repère pendant le mode de correspondance grossière de points de repère, il prend une autre image et répète le processus.

Après trois comparaisons image-carte réussies, LVS passe à un mode appelé Fine Landmark Matching. C'est à ce moment-là que le système divise la surface en boîtes de 410 pieds (125 mètres) de diamètre, rechercher des motifs uniques et les comparer avec la carte. LVS recherche au moins 20 correspondances au cours de cette seconde d'observation d'une image, mais en fait généralement beaucoup plus - jusqu'à 150 - afin de générer un tracé encore plus précis de la trajectoire de Mars 2020.

"Chaque fois qu'un nombre approprié de correspondances est effectué dans une image, en correspondance de cours ou de repères fins, LVS met à jour où se trouve le vaisseau spatial à ce moment-là, " a déclaré Johnson. " Cette mise à jour est ensuite introduite dans le système de sélection de cible sûre. "

Cette deuxième partie du système de navigation Terrain-Relative utilise la solution de positionnement de LVS, calcule où il va atterrir puis le compare à une autre carte embarquée, celui-ci représentant des zones à l'intérieur de la zone d'atterrissage comprises comme étant soit bonnes pour l'atterrissage ... soit du genre avec des cratères, falaises, champs de rochers ou de rochers. Si l'emplacement tracé ne convient pas, La sélection de cible sûre peut changer le destin du rover, déplacer son point d'atterrissage jusqu'à 2, 000 pieds (600 mètres).

Mis à l'épreuve

Alors que les opérations de sélection de cibles sûres peuvent être étudiées dans un banc d'essai informatique dans les limites du JPL, recueillir des données optiques, l'équipe avait besoin d'aller plus loin :le désert de Mojave et la vallée de la mort.

Sur trois semaines en avril et mai 2019, LVS a effectué 17 vols attachés à l'avant d'un hélicoptère, prendre et traiter image après image sur le terrain martien des Kelso Dunes, Trou dans le mur, Tube de lave, Mauvaise eau, Vallée de Panamint et dunes plates de Mesquite.

"Nous avons volé vol après vol, imitant le profil de descente de l'engin spatial, " a déclaré Johnson. "Dans chaque vol, nous avons effectué plusieurs passages. Chaque run imitait essentiellement un atterrissage sur Mars."

En tout, l'équivalent de 659 atterrissages sur Mars a eu lieu lors des vols d'essai.

« Les données sont dedans—TRN fonctionne, " a déclaré Chen. "Ce qui est une bonne chose parce que Jezero est l'endroit où nos scientifiques veulent être. Et sans TRN, les chances d'atterrir avec succès à un bon endroit pour le rover sont d'environ 85 %. Avec TRN, nous sommes confiants d'avoir augmenté d'environ 99 %."

Mais Chen s'empresse également de noter que Mars est difficile :seulement environ 40 % de toutes les missions envoyées sur Mars, par n'importe quelle agence spatiale, ont atterri avec succès.

"Pour aller plus loin, il faut regarder vers le passé, et à cet égard, qui mieux que le premier ?", a déclaré Chen. "Dans une interview quelque 35 ans après Apollo 11, Neil Armstrong a dit, «Je pense que nous avons essayé très fort de ne pas être trop confiants. Parce que quand tu deviens trop confiant, c'est à ce moment-là que quelque chose se brise et vous mord.'"

Conscient de cela, les travaux de l'équipe Mars 2020 TRN ne se termineront que le 18 février, 2021, un peu après 12h HNP (15 h HNE), lorsque leur rover se pose sur le cratère Jezero. Mais ce n'est aussi qu'un début :le guidage de précision autonome du Terrain-Relative Navigation pourrait s'avérer essentiel pour faire atterrir des humains en toute sécurité sur la Lune et sur Mars.TRN pourrait également être utile pour faire atterrir de l'équipement en plusieurs largages avant un équipage humain sur l'un ou l'autre monde ou sur d'autres. à explorer sur la route.

JPL construit et gérera les opérations du rover Mars 2020 pour la direction de la mission scientifique de la NASA au siège de l'agence à Washington.