Лос-Анджелес давно асоціюється зі світовою кіноіндустрією, однак саме тут створюються й технології, які дозволяють людству досліджувати далекі планети Сонячної системи. У місті Пасадена працює Jet Propulsion Laboratory (JPL) — науково-дослідний центр NASA, який розробляє роботизовані космічні місії. Саме інженери JPL створили більшість американських міжпланетних апаратів і марсоходів, а також технології, що забезпечують їхню навігацію, зв’язок та автономну роботу на відстані сотень мільйонів кілометрів від Землі.
Інженерна спадщина JPL продовжує визначати майбутнє космічних досліджень. Від легендарних місій Mariner, Voyager і Galileo до сучасних марсоходів Curiosity та Perseverance — кожен новий проєкт базується на багаторічному досвіді, накопиченому у лабораторіях поблизу Лос-Анджелеса. Паралельно тут створюють нове покоління автономних роботів, здатних досліджувати найскладніші ділянки поверхні Місяця та Марса. Далі на los-angeles.name.
Deep Space Network
Коли марсохід Perseverance або Curiosity надсилає нові фотографії поверхні Марса, здається, ніби зв’язок між Землею та Червоною планетою відбувається миттєво. Насправді за кожним отриманим знімком стоїть одна з найскладніших телекомунікаційних систем у світі — Deep Space Network (DSN). Саме її створили, побудували й досі експлуатують фахівці NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) у Пасадені. Deep Space Network забезпечує зв’язок з космічними апаратами, які працюють далеко за межами орбіти Землі.
Мережа складається з трьох комплексів гігантських антен, розташованих приблизно через 120 градусів один від одного навколо Землі. Це дозволяє підтримувати майже безперервний зв’язок з космічними апаратами незалежно від обертання планети. Один комплекс працює у Голдстоуні (Каліфорнія), другий поблизу Мадрида (Іспанія), третій поблизу Канберри (Австралія).
Завдяки такому розташуванню Deep Space Network приймає надзвичайно слабкі сигнали, які долають сотні мільйонів кілометрів. Окрім передачі команд, мережа визначає точне положення космічних апаратів, вимірює їхню швидкість і допомагає виконувати складні маневри під час польоту та посадки. Для марсоходів ця система має критичне значення. Інженери JPL щодня формують пакет команд, який через Deep Space Network передається на орбітальні апарати біля Марса або безпосередньо на поверхню планети. Після виконання завдань марсохід надсилає назад телеметрію, фотографії, відео та результати наукових досліджень. Без Deep Space Network були б неможливими місії Sojourner, Spirit, Opportunity, Curiosity, Perseverance та Ingenuity. Система також забезпечує роботу міжпланетних місій до Юпітера, Сатурна, астероїдів і далеких космічних апаратів.
Як інженери JPL навчили марсоходи працювати самостійно?
Через величезну відстань між Землею та Марсом керувати марсоходом у режимі реального часу неможливо. Залежно від взаємного розташування планет сигнал летить від Землі до Марса приблизно від 4 до понад 20 хвилин. Тому кожен робот повинен самостійно приймати частину рішень. Саме інженери Jet Propulsion Laboratory стали світовими лідерами у створенні автономних систем навігації для космічних роботів.
Сучасні марсоходи аналізують рельєф місцевості за допомогою стереокамер, будують тривимірну модель поверхні, визначають потенційно небезпечні ділянки та обирають безпечний маршрут без втручання операторів. Алгоритми автономної навігації дозволяють роботам обходити великі камені, уникати крутих схилів, контролювати пробуксовування коліс і самостійно зупинятися у разі виникнення ризику. Такі технології значно збільшують швидкість дослідження Марса та дозволяють виконувати наукові програми навіть тоді, коли прямий зв’язок з Землею тимчасово недоступний.
Проєкт ERNEST
Одним з найперспективніших сучасних проєктів JPL став експериментальний робот ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain). Його створили як платформу для випробування нових технологій мобільності та автономності, які можуть використовуватися у майбутніх місіях NASA на Місяць і Марс.
На відміну від шестиколісних марсоходів, ERNEST має активну підвіску, здатну змінювати положення кожного колеса окремо. Це дозволяє долати значно складніші перешкоди, пересуватися крутими схилами та проходити місця, які залишаються недоступними для Curiosity або Perseverance.
Ще однією особливістю є використання алгоритмів штучного інтелекту. Перед польовими випробуваннями ERNEST проходив тисячі годин навчання у цифровому середовищі, створеному фахівцями JPL. Віртуальні моделі відтворювали різні типи поверхні, освітлення та перешкод. Під час випробувань у пустелі Південної Каліфорнії робот самостійно подолав приблизно 26 кілометрів майже без втручання операторів. Він продемонстрував швидкість пересування, яка приблизно у десять разів перевищує можливості сучасних марсоходів NASA. За словами головного технолога JPL Ісси Неснаса, отримані результати допомагають створити роботизовані платформи нового покоління для тривалих місій на Місяці.
Розвиток роботизованих місій NASA
Jet Propulsion Laboratory понад шість десятиліть залишається головним центром роботизованого дослідження Сонячної системи. Саме тут були створені технології цифрової космічної фотографії, автономної навігації, систем посадки, програмного забезпечення для міжпланетних польотів, алгоритмів обробки зображень і високоточного керування космічними апаратами.
Більшість сучасних марсоходів є еволюційним розвитком попередніх поколінь роботів, також розроблених у JPL. Кожна місія дозволяла накопичувати інженерний досвід, який використовувався при створенні наступних апаратів. Наприклад, досвід місії Sojourner став основою для Spirit та Opportunity. Їхні технології були вдосконалені при створенні Curiosity, а інженерні рішення Curiosity використали під час розробки Perseverance. Такий принцип безперервного розвитку дозволяє JPL залишатися одним з найавторитетніших центрів космічної робототехніки у світі.
Місії на Місяць і Марс
Технології, що створюються у JPL, визначають майбутнє дослідження Сонячної системи. Автономні алгоритми, активна підвіска, штучний інтелект та інтелектуальне планування маршрутів можуть стати основою для нових довготривалих експедицій у межах програми Artemis, перспективних місячних роверів та майбутніх місій з доставки зразків марсіанських порід.
Проєкт ERNEST демонструє, що майбутні роботи зможуть пересуватися значно швидше, долати десятки кілометрів за одну місію та працювати у районах, які нині залишаються недосяжними. Паралельно Deep Space Network продовжує модернізувати свої антени та цифрові системи зв’язку, щоб забезпечити підтримку нових поколінь космічних апаратів, які працюватимуть ще далі від Землі.
Тож інженерна школа JPL у Пасадені залишається одним з головних центрів розвитку світової космічної робототехніки. Саме тут створюються технології, які допомагають досліджувати Марс, а вже найближчими десятиліттями можуть забезпечити новий етап освоєння Місяця та підготовку до майбутніх пілотованих експедицій на Червону планету.
