Эволюция автономной навигации марсоходов: от Sojourner до Perseverance

Управление марсоходами с Земли началось с первых миссий, однако расстояние до Марса создает значительные ограничения для операторов. В зависимости от взаимного расположения планет, сигналу требуется более 20 минут, чтобы преодолеть путь в одну сторону. Это обстоятельство заставило инженеров передать часть навигационных задач самим аппаратам, что стало началом эволюции автономной навигации на Красной планете.

Зачем марсоходам самостоятельность

Качество связи между Землей и Марсом, а именно задержка сигнала, является основным фактором, требующим автономности от марсоходов. Минимальная задержка составляет около четырех минут, а максимальная превышает 20. Это означает, что операторы не могут управлять марсоходами в реальном времени: они заранее составляют программу движения, отправляют ее на Марс и только после выполнения получают данные о выполнении задач. Такой подход использовался как в ранних миссиях, так и на Curiosity, что создавало значительные неудобства для операторов. Кроме того, орбитальные снимки, даже если они очень качественные, не могут заменить информацию, получаемую с поверхности. Мелкие камни, ямы и участки рыхлого грунта становятся заметны только при непосредственном осмотре. Поэтому возникла необходимость в том, чтобы марсоходы могли самостоятельно оценивать ближайший участок пути и определять, где они смогут безопасно проехать. Постепенно эта идея была реализована, и с развитием технологий возможности марсоходов значительно расширились.

Sojourner: первые шаги в автономной навигации

Первым успешным марсоходом стал Sojourner, который прибыл на Марс в 1997 году в составе миссии Pathfinder. С массой чуть больше 10 килограммов он проработал почти три месяца, проехав чуть более 100 метров. Система обнаружения препятствий Sojourner состояла из пяти инфракрасных лазеров и двух камер. Лазеры создавали полосы света, которые камеры фиксировали. Если впереди находился камень или яма, положение полос на изображении изменялось, и компьютер определял, можно ли двигаться дальше. Sojourner выполнял проверку после каждых 13 сантиметров пути, что позволяло ему избегать препятствий, но не позволяло планировать сложные маршруты. Его бортовой компьютер Intel 80C85 с частотой 2 МГц и 64 КБ оперативной памяти не мог обрабатывать большие объемы данных, поэтому точное положение ровера определяли с Земли по снимкам камер посадочного аппарата Pathfinder.

Spirit и Opportunity: от обхода препятствий к выбору маршрута

В 2004 году на Марс прибыли роверы Spirit и Opportunity, которые имели более мощные бортовые компьютеры и усовершенствованную систему навигации. Вместо простой реакции на препятствия, они могли оценивать окружающий рельеф и выбирать траекторию движения с помощью системы AutoNav и алгоритма GESTALT. Используя пары камер, Spirit и Opportunity создавали трехмерную модель местности, что позволяло им строить карту проходимости и выбирать безопасные участки для движения. Эти роверы могли рассчитывать несколько десятков вариантов движения, выбирая наиболее подходящие по различным параметрам. Визуальная одометрия, унаследованная от Sojourner, позволила более точно определять пройденное расстояние, что особенно важно на рыхлом грунте. Spirit проехал 7,7 км, а Opportunity — 45,2 км, при этом AutoNav уже позволял роверам самостоятельно выбирать безопасный путь в сложных условиях.

Curiosity: усовершенствованный, но все еще ограниченный AutoNav

Марсоход Curiosity, прибывший на Марс в 2012 году, унаследовал многие принципы навигации от своих предшественников, но с значительно увеличенной вычислительной мощностью. Он использовал процессор RAD750 с частотой 200 МГц и 256 МБ оперативной памяти. Как и прежде, маршрут готовили на Земле, но Curiosity мог переходить на AutoNav для автономного движения в безопасных участках. Однако, как и у предыдущих роверов, AutoNav требовал остановок для обработки изображений и выбора следующего безопасного участка, что ограничивало скорость движения. В 2023 году Curiosity получил обновление программного обеспечения, которое ускорило процесс обработки, но принцип оставался прежним — ровер все равно должен был периодически останавливаться.

Perseverance: навигация без постоянных остановок

Марсоход Perseverance, прибывший на Марс в 2021 году, стал следующим шагом в эволюции автономной навигации. Он получил отдельную вычислительную систему Vision Compute Element (VCE), которая обрабатывает стереоизображения и часть вычислений визуальной одометрии. Это позволило значительно увеличить скорость обработки данных и улучшить качество навигации. С помощью алгоритма ENav, Perseverance строит карту высот и просчитывает около 1 700 вариантов движения на расстоянии до шести метров. Главное отличие от Curiosity заключается в том, что Perseverance может обрабатывать новые снимки и рассчитывать дальнейший путь, пока движется по уже выбранной траектории. Это позволяет ему проходить около 100 метров в час, что значительно увеличивает эффективность работы. К концу 2025 года более 90% пути Perseverance будет пройдено самостоятельно. В декабре 2025 года NASA впервые попробовало использовать генеративный ИИ для планирования маршрута, что открывает новые горизонты для автономных систем на Марсе. Эксперименты показали, что ИИ может эффективно анализировать данные и расставлять путевые точки, что в будущем позволит марсоходам принимать более сложные решения без участия операторов с Земли.