Проблемные рейсы вертолета Ingenuity. Рассказ от разработчикаТрэвис Браун, инженер-разработчик вертолета Ingenuity поделился с читателями этой историей:
Между рейсами 52 и 53 произошла длительная задержка, а также отклонение от опубликованного плана рейса 53. Во-первых, задержка рейса 53 стала прямым результатом решения команды вывести Ingenuity за пределы зоны действия телекоммуникационной связи с марсоходом. Можно усомниться в разумности этого решения, но для этого есть веские причины.
При прокладке пути прохождения через заданную область команда определяет ряд гладких, плоских участков, называемых «кувшинками» (“lily pads”), где вертолет может безопасно приземлиться без значительного риска повреждения транспортного средства. Поскольку лазерный высотомер вертолета довольно чувствителен к значительным изменениям местности, команда также обычно старается планировать траекторию полета на самой гладкой и плоской местности. Эти типы местности также являются районами, которые предпочитают планировщики марсоходов, поскольку они более легко проходимы и содержат меньше препятствий, которые могут помешать продвижению марсохода. В результате на труднопроходимой местности оба автомобиля обычно соревнуются за один и тот же узкий путь.
Грубо говоря, главными приоритетами миссии команды Ingenuity являются:
1 – Избегайте значительных помех или задержек в работе ровера.
2 – Поддержание здоровья и безопасности транспортного средства
3 – Провести разведку для тактического планирования и научной оценки.
4. Проведение экспериментов для информирования о дизайне миссий и транспортных средств для будущих марсианских винтокрылых аппаратов или сбор данных для дискреционных научных исследований.
На труднопроходимой местности первые два приоритета приводят к тому, что нужно оставаться намного впереди “Perseverance”. Оставаться лишь немного впереди марсохода, обеспечивая при этом хорошую скорость передачи данных, рискованно, поскольку вертолет может непреднамеренно заблокировать путь марсохода. Оставаться сразу за марсоходом также является непростой задачей, поскольку траектория полета вертолета должна быть слишком близка к марсоходу в целях безопасности или включать энергозатратные отклонения для поддержания достаточного расстояния. Оставаться рядом с марсоходом часто невозможно из-за ограничений связи и посадочной площадки. Оставаясь далеко позади марсохода, очевидно, вы рискуете потерять связь, что вынудит марсоход повернуть назад (нарушая приоритет №1) или оставить вертолет позади (нарушив приоритет №2). Таким образом, вертолет часто действует на узком участке местности в нескольких сотнях метров впереди позиции марсохода. Когда позволят телекоммуникации, команда попытается приземлиться в местах, параллельных запланированному стратегическому маршруту “Perseverance”, но в последний год миссии это было исключением, а не правилом.
Этот баланс требует тщательного планирования для максимизации эксплуатационной гибкости, быстрого перепланирования полетов/деятельности в кратчайшие сроки, а также большого количества рабочих смен с упором на передачу файлов, чтобы компенсировать низкую скорость передачи данных на границах диапазона радиосвязи. Медленная передача данных снижает достижимую частоту полета и эксплуатационную эффективность вертолета.
Полет немного впереди радиуса действия телекоммуникаций является одной из стратегий, позволяющей справиться с этой ситуацией, поскольку позволяет выиграть время, снизить риск вмешательства ровера и/или снизить потребность оперативной группы в выполнении полетов с коротким уведомлением. Однако у этого есть некоторые недостатки: 1) Это еще больше замедляет темп работы, поскольку вынуждает вертолет проводить больше времени в регионах с плохой связью. 2) Потенциально может вывести вертолет за пределы зоны действия связи, если марсоход столкнется с какой-либо задержкой или примет тактические решения, отклоняющиеся от стратегического маршрута. Эта последняя уязвимость проявилась почти сразу после того, как “Ingenuity” выполнил свой 52-й полет.
Рейс 52 планировался как дальний полет без связи, который был выполнен на 776-й сол с расчетом на то, что марсоход приближается к концу своих исследований в Echo Creek и будет приближаться к месту стоянки вертолета возле горы Julian через несколько солов. Полет был выполнен точно по плану: Ingenuity потерял радиосвязь примерно на 8 метрах (что соответствует нашим моделям связи). Тем не менее, отсутствие подтверждения успешной посадки означало, что телеметрия по нисходящей линии связи для этого полета была несколько менее обнадеживающей, чем типичные нисходящие линии связи после полета. Команда приготовилась к короткому, но напряженному ожиданию, пока “Perseverance” догонит и предоставит подтверждение того, что бесстрашный вертолет благополучно приземлился.
Примерно через неделю марсоход начал двигаться, но вместо того, чтобы направиться на юго-восток к горе Julian, как планировалось, научная группа решила провести исследование местности вокруг пика Powell. Члены команды “Ingenuity”, благодарные за незапланированный перерыв, но все еще обеспокоенные неизвестным состоянием вертолета, приготовились к еще одной неделе или двум ожиданиям. Недели вскоре превратились в месяцы, пока марсоход преодолевал различные трудности в своем графике. Плохая структурная целостность породы в этом районе помешала двум попыткам отбора проб, прежде чем команда марсохода смогла успешно захватить образец на 822 сол и успешно запечатать его 10 солов спустя. Люди, следящие за деятельностью марсохода, знают, что эта кампания оказалась гораздо более сложной, чем кто-либо мог себе представить. Наконец, после еще одной недели активности, “Perseverance” был достаточно близко, чтобы восстановить связь с “Ingenuity” на 837-м соле.
В общей сложности “Ingenuity” не был на связи 61 сол, целую вечность, когда исход полета был неизвестен команде. Это был самый длительный период бездействия вертолета с тех пор, как “Perseverance” и “Ingenuity”» приземлились на планете. За это время команда Ingenuity в значительной степени деактивировалась, а ее участники перераспределили свое время для работы над другими проектами.
Когда команда начала собирать файлы журналов и изображения полета, стало очевидно, что последние два месяца вертолет провел на чем-то поистине замечательном месте. Прямо под ногами “Ingenuity” лежала коллекция булыжников и гальки, непохожая ни на одну из тех, что ученые видели раньше. Многие из них были частично эродированы и имели везикулярную текстуру, больше напоминающую свежий базальт. Эти камни сразу же вызвали бурную реакцию со стороны ученых проекта, которые попросили Ingenuity как можно скорее выполнить специальный научный разведывательный полет.
Команда ухватилась за редкую возможность предоставить ценную и захватывающую передовую научную разведку, но полет в конечном итоге завершился совсем по-другому. Рейс 53 должен был стать чрезвычайно интересным полетом с обширными изображениями RTE (цветной камерой) на малой высоте, чтобы получить множество сканирований земли в высоком разрешении, охватывающих части русла реки немного севернее исходного места приземления. Однако в середине полета на 864-й сол проблема синхронизации с критичным по времени навигационным фотоаппаратом вызвала срабатывание процедуры защиты от сбоев «LAND-NOW» в подсистеме навигации и управления (GNC). Как следует из названия, это заставило Ingenuity прервать полет и немедленно приземлиться на том месте, где оно было.
Ingenuity корректирует свою оценку пространственной ориентации, отслеживая движение наземных объектов на изображениях навигационной камеры, но эти данные должны быть идеально синхронизированы по времени с измерениями инерциальной системы наведения, чтобы обеспечить достоверные поправки. В случае с рейсом 53 этот этап синхронизации загадочным образом провалился, чего не наблюдалось ни в одном из предыдущих 52 полетов на Марсе или в годы предшествовавших им наземных испытаний. На момент написания этой статьи точная причина вызывала серьезные подозрения, но не была окончательно доказана.
На этапе разработки миссии рассматривалось множество вариантов реагирования на неисправности, но с такой нестабильной и чувствительной ко времени системой, как вертолет, лучшим ответом почти всегда является приземление как можно скорее. После обновления программного обеспечения R8.0 в октябре 2022 года реакция на ошибку была незначительно изменена. R8.0 включал в себя новую и ценную возможность уклонения от опасностей, позволяющую вертолету разумно перемещать цель приземления, чтобы избегать зон, которые казались опасными для его камер. В этом обновлении к ответу LAND-NOW также применено поведение по предотвращению опасности. По счастливой иронии судьбы команда обнаружила своеобразное и потенциально фатальное взаимодействие между этими двумя поведениями всего за месяц до полета. Ко времени полета №53 были внесены эксплуатационные изменения, смягчающие проблему (предотвращающие использование аварийных обходов во время аварийных посадок). В рейсе №53 LAND-NOW выполнен точно так, как было задумано, что позволило быстро и безопасно доставить вертолет на землю. Это событие было беспрецедентным и стало первой аварийной посадкой Ingenuity на Марсе.
К тому времени, когда команда оценила проблему, “Perseverance” догнал вертолет и обогнал его на 871-м соле, избавив от необходимости завершать съемку изображений, запланированную для рейса №53. Ingenuity вернулся в небо Марса с коротким всплывающим окном- полет №54, чтобы определить его местоположение, а затем возобновил свои разведывательные обязанности в новом месте 55-м рейсом на 881-м соле.
Команда находится в постоянной борьбе за минимизацию и балансировку различных рисков. Ingenuity был выведен за пределы зоны действия связи, чтобы предотвратить весьма вероятную возможность того, что ученые проекта решат немедленно отправиться на запад. Это иллюстрирует сложность составления эффективных планов, когда возможность выполнения этих планов полностью зависит от другого транспортного средства, которое само подвержено неожиданным событиям. Это вдвойне верно, поскольку научный мандат “Perseverance” справедливо предписывает, что планы должны меняться по мере того, как делаются новые открытия и становятся доступными новые данные. Даже без этих присущих проблем с координацией иногда неожиданные события могут сорвать даже самые хорошо продуманные планы, как это произошло в случае с рейсом №53.
Никто из участников проекта не мог предсказать конечный результат, который привел к потере двух месяцев времени полета вертолета. Тем не менее, вертолет продолжит движение вверх по дельте древней реки, балансируя риски и обеспечивая разведку марсохода, где это возможно. Два марсианских аппарата вскоре достигнут района, где марсоход будет находиться в течение нескольких месяцев. Это должно значительно ослабить ограничения при планировании и предоставить вертолету возможность выполнять более широкий спектр задач.
