Марсианский рубеж

Какая ежедневно используемая ИТ-система удалена от нас дальше всех? Марсоход Perseverance. Пожалуй, дальше пока что некуда. Под катом поговорим о технической начинке миссии, особенностях связи с Землей и других насущных проблемах и задачах, которые стоят перед марсоходом Perseverance и его маленьким крылатым другом Ingenuity.

Граничные вычисления приходят на помощь, если приложению требуется быстрый отклик, но оно физически расположено далеко от основных ИТ-ресурсов. На сегодняшний день самый яркий тому пример — беспилотный марсоход, выполняющий научные изыскания в 62 миллионах километров от Земли, на поверхности Красной планеты.

Марсоход Perseverance взаимодействует с окружающим миром в реальном времени, но время прохождения сигнала с Марса в ЦУП NASA составляет порядка 12 минут. Но задержки — это лишь полбеды. Само качество связи на таком расстоянии оставляет желать лучшего. Соответственно, единственный выход — возложить «принятие» некоторых решений на сам Perseverance.

При этом технологически марсоход весьма скромен: его бортовые системы работают на базе процессора PowerPC 750, точно таком же, что и в компьютере Apple Bondi Blue iMac 1998 года.

Напомним, на Марсе уже имеется развернутая ранее «база» — марсоход Curiosity. Он приземлился на поверхность планеты еще в 2012 году. К слову, работает он все на том же процессоре: в силу ряда особенностей марсианской среды это едва ли не самый подходящий вариант.

А знаменитый дрон-коптер Ingenuity, судьба которого вызывала у ученых наибольшие опасения, оснащен уже гораздо более современным «железом»: так, его сердцем является процессор Snapdragon 801, применявшийся в смартфонах ~2014 года, например, в Sony Xperia Z3.

Тем не менее, эта конфигурация показывает потрясающие результаты. На самом раннем этапе Perseverance смог идеально сесть на поверхность планеты (18 февраля), на лету проанализировав скорость ветра и работу собственного теплового экрана во время входа в атмосферу на сверхзвуковой скорости. С помощью ИИ марсоход также определил оптимальное место для посадки.

Все эти процедуры (вход в атмосферу, снижение и посадка) были полностью автономны. Марсоход вошел в атмосферу Марса на скорости 20112.5 километров в час, а максимальная температура на поверхности теплового экрана составила 1300°C. Спуск занял меньше 7 минут, поэтому инженеры NASA никак не могли вмешаться в процесс и внести корректировки. Строго говоря, информация о начале посадки долетела до Земли уже после того, как марсоход успешно приземлился.

Вход в атмосферу

Perseverance — это уже пятый марсоход NASA. Но первый, который пошел на посадку самостоятельно.

Его теплозащитный экран и задний защитный кожух оборудованы 28 датчиками. В течение первых четырех минут спуска, датчики теплового потока и датчики давления непрерывно отслеживали температуру и лобовое сопротивление. 

После раскрытия парашюта экран и весь его «обвес» были сброшены. Все данные о спуске были сохранены и отправлены в NASA — фактически, это первое подробное «описание» приземления на Марс.

Таким образом, все будущие миссии на Марс будут комплектоваться щитами и иным оборудованием, построенным на основе данных о реальной посадке, а не моделируемой. Специалисты NASA предполагают, что в ближайшем будущем им удастся создать более эффективные и более легкие (на 35%) тепловые экраны.

Информация с датчиков давления позволяет судить о реальных особенностях марсианской атмосферы, в том числе — о скорости ветра на малых высотах. Будущие миссии смогут составлять прогноз погоды и приземляться более точно и компактно.

Что касается компактности приземления — Perseverance был нацелен на область 7,72 х 6,6 км. Это на порядок меньше, чем посадочная цель Curiosity (24,94 x 19,96 км). Благодаря данным, полученным в феврале, следующему зонду достаточно будет еще более скромного участка поверхности для приземления.

Контролируемый спуск

Когда парашют раскрылся, радар Perseverance измерил текущую высоту. Без теплозащитного экрана камеры марсохода смогли просканировать землю на предмет ровной площадки для приземления.

Когда скорость падения упала до ~320 км/ч, парашют отстегнулся и включились посадочные двигатели. На этом этапе в дело вступила система обзора (LVS) и при помощи подсистемы относительной навигации по местности (TRN), сопоставившей изображение с камер и карту Марса, направила Perseverance на плавную посадку в кратер Езеро.

К слову, перед «боевым» запуском систему многократно тестировали на земле — с помощью вертолетов и суборбитальных ракет, — но, разумеется, на результаты этих тестов нельзя было полагаться на 100%.

Незадолго до посадки руководитель разработки системы TRN Свати Мохан говорила: «Без системы относительной навигации вероятность благополучной посадки в кратере Езеро составляла от 80 до 85 процентов. Но теперь мы можем довести вероятность успешной посадки в кратере Езеро до 99 процентов в каждой последующей миссии.»

Позднее, когда посадка уже состоялась, Мохан выступала с публичным заявлением перед общественностью. Вот, что она говорит об этом дне: «Только после того, как пришло сообщение «Посадка совершена» и люди начали аплодировать, до меня дошло: господи, мы и правда смогли. Мы на Марсе. Это не очередной тестовый прогон — всё случилось на самом деле!».

Научная миссия

Езеро — самая сложная посадочная площадка из всех, которые NASA выбирали для марсоходов. Тем не менее, этот выбор продиктован задачами, которые поставлены перед проектом. Предположительно, ранее на месте посадки находилась дельта древней реки, питавшей огромное озеро, наполнявшее кратер три миллиарда лет назад.

Если на Марсе когда-либо существовала жизнь, это лучшее место для поиска ее следов. Perseverance укомплектован массой научных инструментов для поиска признаков древней жизни в дельтовых отложениях.

Кроме того, марсоход будет извлекать и консервировать интересные образцы породы — их заберет на Землю следующая миссия. Новый проект потребует гораздо больше технической экспертизы и запланирован на 2026 год.

Perseverance также проведет ряд ключевых испытаний для будущих пилотируемых миссий на Марс. В том числе — опыт по выделению кислорода из марсианской атмосферы.

Вся эта работа будет выполняться более или менее автономно. Инструкции высокого уровня будут высылаться с Земли, а «взамен» марсоход будет снабжать NASA ценными научными данными.

Это самый экстремальный проект с применением граничных вычислений: данные передаются крайне медленно, соединение ненадежное, а в случае поломки у марсохода нет ни единого шанса на техобслуживание.

В то время как NASA открывает мировому научному сообществу Марс, создатели цифровой инфраструктуры смогут многое узнать об ограничениях пограничных вычислений.

Звонок из космоса

Perseverance возвращается на Землю, передавая сигналы через различные марсианские орбитальные аппараты, включая Марсианский разведывательный спутник, который вращается вокруг Марса с 2006 года.

На пути от орбиты Марса к Земле используется сеть с промежуточным хранением данных, предназначенная для нивелирования последствий ошибок и разрывов соединения.

Учитывая малый вес межпланетных кораблей и ряд ограничений по питанию, системы связи довольно асимметричны. На Земле установлены большие и мощные антенны — именно они ловят «шепот» с Марса. Антенны предварительно настраиваются на получение сигнала с заранее заданных направлений.

Данные передаются в пакетах, определенных стандартом телеметрии Международного Консультативного Комитета по космическим системам передачи данных (CCSDS). Каждый пакет содержит переменный объем данных от 7 до 65 542 байта, включая заголовок. Исправление ошибок также в наличии.

Мозг марсохода

Марсоход управляется чипом, разменявшим третий десяток лет: Power PC 750.

Это не самый современный процессор: в нем «содержится» 10.4 млн транзисторов, что примерно в тысячу раз меньше, чем у чипов современных смартфонов. При этом, несмотря на то что CPU может работать 233 МГц, в Perseverance частота понижена до 133 МГц.

У инженеров есть основания использовать такие «старые» технологии. Во-первых, на борту марсохода стоит не стоковый CPU, а особая его версия стоимостью $20000. Процессор встроен в одноплатный компьютер RAD750 по лицензии BAE Systems, оснащенный резервирующими модулями и логикой устранения ошибок в памяти, а также средствами защиты от радиации: всего одного луча достаточно, чтобы вся начинка выгорела в одночасье.

Джеймс ЛаРоса, BAE Systems: «Итак, у вас есть космический корабль ценой в несколько миллиардов. И если что-то в нем «икнется», то миссия будет провалена. Всего одна частица, бороздящая галактики, может пролететь через устройство и нанести ему вред».

Еще один примечательный нюанс — марсоход работает под управлением ОС реального времени VxWorks, оригинальная версия которой была выпущена еще в 1987 году.

Всего в Perseverance встроено три компьютера, каждый с двумя гигабайтами флэш-памяти и 256 мегабайтами RAM. Один отвечает за основные функции марсохода, второй анализирует навигационные изображения, а третий находится в резерве.

Ящик с инструментами

Марсоход несет на борту следующее оборудование:

• Mastcam-Z — панорамная стереоскопическая камера с функцией масштабирования, которая может помочь в навигации и изучении минералов.

• SuperCam — прибор для химического анализа и анализа минералов на расстоянии. 

• PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) — рентгеновский флуоресцентный спектрометр, который распознает элементный состав марсианской почвы.

• SHERLOC (Scanning Habitable Environments with Raman & Luminescence for Organics and Chemicals) — первый рамановский спектрометр на Марсе, использует ультрафиолетовый лазер для анализа минералогических и органических соединений.

• MOXIE (Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment) — комплект для проведения эксперимента по получению кислорода из углекислого газа в атмосфере Марса. Кислород понадобится будущим космонавтам для дыхания и сжигания ракетного топлива, которое доставит их домой.

• MEDA (Mars Environmental Dynamics Analyzer) — датчики, измеряющие температуру, скорость и направление ветра, давление, относительную влажность, а также размер и форму частиц пыли.

• RIMFAX (Радиолокационный формирователь изображения недр Марса) — георадар для     изучения местной геологии.

• «Рука»-манипулятор длиной 2м с насадкой для забора образцов, которые предполагается хранить в стерильных контейнерах.

• Три антенны, работающие в UHF (до 2 Мбит/с) и X-диапазоне.

• Блок питания мощностью 110 Вт в виде MMRTG (многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор).

Марсианская миссия 2020, без сомнения, является беспрецедентным прорывом в области изучения Марса. К счастью, пока что нет повода беспокоиться о судьбе марсохода: свои текущие задачи он выполняет и перевыполняет. Даже экспериментальный дрон Ingenuity, построенный на базе «магазинных» компонентов и открытого ПО, ведет себя в точности так, как было запланировано на Земле. Периодически мы будем держать вас в курсе событий миссии Perseverance, а пока что, если вам интересна эта тема, предлагаем вам ознакомиться с предыдущим, более детализированным материалом по этой теме.