Лос-Анджелес давно ассоциируется с мировой киноиндустрией. Однако именно здесь создаются технологии, позволяющие человечеству исследовать далекие планеты Солнечной системы. В городе Пасадена работает Jet Propulsion Laboratory (JPL) — научно-исследовательский центр NASA, где разрабатывают роботизированные космические миссии. Именно инженеры JPL создали большинство американских межпланетных аппаратов и марсоходов. Они же разработали технологии, обеспечивающие навигацию, связь и автономную работу этих машин на расстоянии сотен миллионов километров от Земли.
Инженерное наследие JPL продолжает определять будущее космических исследований. От легендарных миссий Mariner, Voyager и Galileo до современных марсоходов Curiosity и Perseverance — каждый новый проект опирается на многолетний опыт лабораторий близ Лос-Анджелеса. Параллельно здесь создают новое поколение автономных роботов. Им предстоит исследовать самые сложные участки поверхности Луны и Марса. Подробнее об этом — на los-angeles.name.
Deep Space Network
Когда марсоход Perseverance или Curiosity присылает свежие снимки Марса, кажется, будто связь между Землей и Красной планетой работает мгновенно. На самом деле за каждой полученной фотографией стоит одна из самых сложных телекоммуникационных систем в мире — Deep Space Network (DSN). Ее создали, построили и до сих пор обслуживают специалисты Лаборатории реактивного движения NASA (JPL) в Пасадене. Эта сеть обеспечивает связь с космическими аппаратами, которые работают далеко за пределами земной орбиты.
Сеть состоит из трех комплексов гигантских антенн. Они расположены по всему земному шару на расстоянии примерно 120 градусов друг от друга. Это позволяет поддерживать почти непрерывную связь с космическими зондами, независимо от вращения нашей планеты. Один комплекс работает в Голдстоуне (Калифорния), второй — неподалеку от Мадрида (Испания), а третий — близ Канберры (Австралия).
Благодаря такому удачному расположению Deep Space Network улавливает невероятно слабые сигналы, преодолевшие сотни миллионов километров. Помимо передачи команд, сеть точно определяет координаты космических аппаратов, измеряет их скорость и помогает совершать сложные маневры при полете и посадке. Для марсоходов эта система жизненно важна. Инженеры JPL ежедневно формируют пакет команд. Затем через Deep Space Network он отправляется на марсианские орбитальные станции или прямо на поверхность планеты. Выполнив задачу, марсоход отправляет обратно телеметрию, фотографии, видео и научные данные. Без этой сети миссии Sojourner, Spirit, Opportunity, Curiosity, Perseverance и Ingenuity были бы попросту невозможны. Она же обеспечивает связь с межпланетными зондами, изучающими Юпитер, Сатурн, астероиды и дальний космос.
Как инженеры JPL научили марсоходы работать самостоятельно?
Из-за колоссального расстояния между Землей и Марсом управлять марсоходом в режиме реального времени невозможно. В зависимости от расположения планет, сигнал летит в одну сторону от 4 до 20 с лишним минут. Поэтому каждый робот должен уметь принимать часть решений самостоятельно. Именно инженеры Jet Propulsion Laboratory стали мировыми лидерами в разработке автономных систем навигации для космических машин.
Современные марсоходы анализируют рельеф с помощью стереокамер, строят 3D-модель поверхности и находят потенциально опасные участки. Они сами прокладывают безопасный маршрут — вмешательство оператора не требуется. Алгоритмы автономной навигации помогают роботам объезжать крупные валуны, избегать крутых склонов, следить за пробуксовкой колес и вовремя тормозить при малейшем риске. Эти технологии в разы ускоряют исследование Марса. Они позволяют продолжать научную работу даже тогда, когда прямой связи с Землей временно нет.
Проект ERNEST
Одним из самых многообещающих проектов JPL сегодня является экспериментальный робот ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain). Его создали как платформу для тестирования новых технологий мобильности и автономности. В будущем эти наработки планируют использовать в экспедициях NASA на Луну и Марс.
В отличие от классических шестиколесных марсоходов, ERNEST оснащен активной подвеской — он может менять положение каждого колеса по отдельности. Это дает возможность преодолевать куда более сложные преграды, взбираться по крутым склонам и проезжать там, где аппараты вроде Curiosity или Perseverance просто не справились бы.
Еще одной отличительной чертой проекта стало использование алгоритмов искусственного интеллекта. До начала полевых испытаний ERNEST прошел тысячи часов обучения в цифровой среде, созданной специалистами JPL. Виртуальные модели в точности имитировали различные типы грунта, перепады освещения и препятствия. Во время тестов в пустыне Южной Калифорнии робот самостоятельно проехал около 26 километров. Помощь операторов ему практически не понадобилась. Скорость его передвижения оказалась примерно в десять раз выше, чем у современных марсоходов NASA. Как отмечает главный технолог JPL Исса Неснас, полученные результаты уже сегодня помогают создавать роботизированные платформы нового поколения для длительных лунных миссий.
Развитие роботизированных миссий NASA
Вот уже более шести десятилетий Jet Propulsion Laboratory остается главным центром роботизированного исследования Солнечной системы. Именно в стенах JPL зародились технологии цифровой космической фотографии, автономной навигации и систем посадки. Здесь же создавалось программное обеспечение для межпланетных перелетов, алгоритмы обработки снимков и системы высокоточного управления космическими аппаратами.
Большинство современных марсоходов — это эволюционное продолжение предыдущих поколений роботов, которые также проектировались в JPL. Каждая миссия приносила бесценный инженерный опыт, который ложился в основу будущих аппаратов. Например, наработки проекта Sojourner стали базой для Spirit и Opportunity. Их технологии доработали при создании Curiosity, а технические решения Curiosity перекочевали в Perseverance. Этот принцип непрерывного развития позволяет JPL удерживать статус одного из самых авторитетных центров космической робототехники на планете.
Миссии на Луну и Марс
Технологии, рожденные в лабораториях JPL, прямо сейчас определяют будущее исследования Солнечной системы. Автономные алгоритмы, активная подвеска, искусственный интеллект и умное планирование маршрутов — все это станет фундаментом для новых длительных экспедиций в рамках программы Artemis. Эти же инновации обеспечат работу перспективных лунных роверов и будущих миссий по доставке образцов марсианского грунта на Землю.
Проект ERNEST наглядно демонстрирует: будущие роботы смогут передвигаться в разы быстрее, проезжая десятки километров за одну миссию. Им откроются регионы, которые пока считаются недосягаемыми. Параллельно с этим Deep Space Network продолжает модернизировать свои антенны и цифровые системы связи. Это необходимо, чтобы поддерживать контакт с новыми поколениями космических аппаратов, улетающих все дальше от нашей планеты.
Инженерная школа JPL в Пасадене по праву остается одним из главных центров развития мировой космической робототехники. Именно здесь создаются технологии, которые сегодня помогают исследовать Марс. А уже в ближайшие десятилетия эти разработки обеспечат новый этап освоения Луны и подготовят человечество к будущим пилотируемым экспедициям на Красную планету.
