Секунды вместо лет: компьютер научился выбирать места посадки для марсоходов

Эксперты проводят годы в спорах о выборе места посадки для очередного ровера. Компьютер может сделать это гораздо быстрее.

Иллюстрация NASA/JPL-Caltech/MSSS.

Программа учитывает рельеф местности и прокладывает оптимальные маршруты для роверов.

Иллюстрация NASA/JPL/University of Arizona, Guillaume Rongier.

Учёные создали компьютерную модель, которая выбирает посадочные площадки для марсоходов. Система учитывает безопасность той или иной точки, научные цели миссии и возможные маршруты ровера.

Разработка описана в научной статье, опубликованной в журнале Earth and Space Science Гийомом Ронжье (Guillaume Rongier) и Виктором Панкратиусом (Victor Pankratius) из Массачусетского технологического института.

Выбрать посадочную площадку для марсианской миссии – задача непростая. Местность должна быть достаточно ровной, чтобы аппарат не разбился при посадке. Кроме того, она должна быть проходимой для ровера. Если зонд получает энергию от солнечных батарей, не подойдут тенистые участки.

Помимо всего этого, у аппарата может быть задача исследовать те или иные геологические образования, например, магматические выходы или дно древних марсианских океанов. И при выборе места посадки это нужно учитывать.

Наконец, такой баланс между научной ценностью площадки и её безопасностью должен был достигнут в достаточно широком регионе. Это страховка на случай, если при посадке что-то пойдёт не так и зонд промахнётся мимо намеченной точки.

Эксперты проводят в обсуждениях долгие годы, пытаясь совместить все эти требования. Это тем более трудно, что информация о поверхности Красной планеты, добытая действующими и свёрнутыми миссиями, разнородна и неполна.

В помощь специалистам авторы и создали свою систему. В неё загружены все добытые в разные годы сведения о рельефе и других условиях в тех или иных точках Марса. Пользователю остаётся задать перечень требований к месту посадки, и компьютер автоматически выберет все подходящие места.

Например, астроном желает исследовать замёрзшие марсианские озёра или горные хребты. Однако его ровер может справиться лишь с определённым уклоном местности и имеет ограниченный запас хода. Программа подберёт варианты посадочной площадки и маршрута к местным "достопримечательностям".

Программа учитывает рельеф местности и прокладывает оптимальные маршруты для роверов.
Программа учитывает рельеф местности и прокладывает оптимальные маршруты для роверов.
Иллюстрация NASA/JPL/University of Arizona, Guillaume Rongier.

Технология основана на математической теории, известной как нечёткая логика. В обычной логике утверждение может быть либо истинным, либо ложным, и третьего не дано. Нечёткая же логика оперирует понятиями, которые можно перевести с математического языка на человеческий примерно как "утверждение верно с такой-то вероятностью" или "утверждение верно в такой-то мере". Это один из способов формализовать рассуждения, опирающиеся на неполную и неточную информацию (как это обычно и бывает в суровой реальности).

Компьютер разбивает поверхность Марса на участки размером в три квадратных километра и каждому из них присваивает число от нуля до единицы. Эта величина показывает, насколько та или иная площадка подходит для посадки с учётом технических требований и научных целей миссии. После этого программа выделяет достаточно обширные (на случай, если зонд промахнётся при посадке) скопления благоприятных участков и демонстрирует их пользователю.

"Эта [система] никогда не заменит настоящий комитет, но она может сделать работу намного более эффективной, потому что вы можете играть с разными сценариями, когда обсуждаете [их]", – объясняет Панкратиус.

Авторы протестировали своё детище на примере миссии Mars 2020. Ей требуется ровная и лишённая пыли посадочная площадка, недалеко от которой есть магматические выходы.

Учёные обнаружили среди предложенных программой участков немало тех, которые уже обсуждались экспертами. Однако нашлись и удобные места, которые ускользнули от внимания специалистов.

"Мы видим, что есть участки, которые мы могли бы исследовать с помощью существующих роверных технологий. Возможно, в комитетах [по выбору] целевых площадок захотят пересмотреть их [статус]", – говорит Панкратиус.

Программу можно использовать и для решения обратной задачи. Если нам во что бы то ни стало нужно исследовать те или иные виды марсианского ландшафта, какой марсоход нам для этого понадобится? Компьютер поможет составить список минимальных требований, который можно будет превратить в техническое задание для конструкторов.

Для прокладывания будущих маршрутов ровера используется так называемый метод быстрого хода (fast marching method). Он применяется, в частности, в метеорологии для расчёта движения атмосферных фронтов.

"Если вы находитесь где-то на Марсе и имеете эту обработанную карту, вы можете спросить: "Как быстро я могу добраться в ту или иную окрестную точку?". И этот алгоритм подскажет вам", – поясняет Панкратиус.

При этом компьютер учитывает не только длину предполагаемого пути, но и его безопасность и эффективность. Например, он может избегать скоплений пыли, по которым марсоход движется медленнее.

Авторы надеются, что в будущем подобные алгоритмы станут основой для автономных роверов, которые управляются бортовыми компьютерами и лишь в исключительных случаях "спрашивают совета" у Земли. Это актуальная задача, ибо радиосигнал преодолевает среднее расстояние между Красной и голубой планетами за 12,5 минуты. Когда между пунктами "повернул руль" и "увидел, куда повернула машина", проходит почти полчаса, крайне трудно управлять транспортным средством.

Напомним, что ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали об аппарате, который сейчас движется к Марсу с целью исследовать его внутреннее строение. Также мы говорили о проектах марсианского вертолёта и миниатюрных дронов-пчёл.