Как марсианский вертолет может быть автономным, если нет марсианского GPS?

Редактировать : JPL Mars Helicopter Scout будет использовать инерциальную навигацию:

Непостоянное магнитное поле Марса исключает использование компаса для навигации, поэтому он будет использовать камеру солнечного слежения, интегрированную в визуальную инерциальную навигационную систему JPL. Некоторые дополнительные входы могут включать гироскопы, визуальную одометрию, датчики наклона, высотомер и детекторы опасности.[15]

Есть и другие способы навигации, кроме GPS.

• Инерционная навигация использует акселерометры, чтобы определить, в каком направлении вы движетесь, и датчики скорости или расстояния, чтобы определить, как далеко вы ушли. Используется, например, подводными лодками для навигации, когда они находятся под водой и вне досягаемости GPS. Также используется нынешними марсоходами.
• Можно использовать радиопеленгацию. Имея 2 передатчика в известных местах, вы можете триангулировать свое местоположение. С 1 передатчиком навигация более ограничена, но вы все равно можете вернуться к местоположению передатчика. Использовался во время Второй мировой войны на самолетах.

В дополнение к знанию своего местоположения, вам нужно знать кое-что о местности вокруг вас. Вам нужно знать, какие места можно пересечь, а какие слишком крутые/каменистые/мягкие для проезда транспортного средства. Самолету нужно знать, где горы и где можно безопасно приземлиться.

Вы можете использовать карту, созданную кем-то другим в качестве эталона (это то, что делает спутниковая навигация в вашем автомобиле), или вы можете создать свою собственную карту по ходу дела.

Нынешние марсоходы продемонстрировали автономность: они фотографируют местность впереди и могут выбрать безопасный путь. GPS для этого не нужен.

GPS — одна из нескольких возможных технологий, доступных для вспомогательной навигации. Он обычно используется на коммерческих беспилотниках, потому что структура уже на месте, а сигнал GPS обычно доступен на Земле.

Однако для работы требуется флотилия спутников вокруг нашей планеты, чего у нас нет (пока) вокруг других небесных тел. В этом случае нам нужны разные подходы, такие как:

• Солнечное отслеживание вместе с инерциальной навигацией (как упоминалось в ответе Гоббса ) будет предпочтительной навигационной технологией для Mars Helicopter Scout , поскольку нельзя полагаться на слабую магнитосферу Марса: ^{инерциальный измерительный блок KVH 1750 (IMU), основной навигационный датчик на АЭРО. Соединять}
  

• Астрометрия — Δ-DOR или Delta-Differential One-Way Ranging может использовать квазары в качестве калибраторов, чтобы обеспечить позиционное разрешение на расстоянии менее нескольких сотен метров на Марсе для орбитального корабля, который, в свою очередь, может обмениваться информацией с надводными аппаратами: ^{ESA Delta DOR: от реализации до эксплуатации Р. Мадде, Т. Морли, ESOC, 16 марта 2007 г. Ссылка}
  

• Картографирование поверхности — дрон может хранить трехмерные карты поверхности своего окружения, а затем использовать датчики LiDAR /RADAR (плюс альтиметр , гироскопы и инклинометры ) вместе с алгоритмами сопоставления для определения своего текущего положения: ^{TERCOM — процесс, Golden 1980 (ieee.org) - Ссылка}

• Визуальная одометрия. Обработка изображений может определить скорость транспортного средства путем измерения различий между двумя неподвижными изображениями, если известен промежуток времени между ними;

Несколько методов могут быть объединены для обеспечения большей точности.

Я повторно использовал некоторые материалы из этого ответа здесь, чтобы показать, что марсоход MARS 2020 приземлится на Марсе, частично используя оптическую навигацию.

Вертолет может использовать аналогичные методы обучения окружающей среде, разработанные для роботов на Земле. Это не идеальный пример, но он дает представление о том, что робот со временем строит карту. В каждой точке вы можете определить положение нового ориентира по отношению к предыдущим ориентирам.

От технологий входа, спуска и посадки :

ТРИГГЕР ПО ДИАПАЗОНУ - ЭТО ВСЕ СВЯЗАННО С ВРЕМЕНЕМ

Ключом к новой технике точной посадки является выбор правильного момента для нажатия на «спусковой крючок», который выпускает парашют космического корабля. «Триггер диапазона» — это название метода, который Mars 2020 использует для определения времени раскрытия парашюта. В более ранних миссиях парашюты раскрывались как можно раньше после того, как космический корабль достигал желаемой скорости. Вместо того, чтобы раскрываться как можно раньше, Range Trigger Mars 2020 раскрывает парашют в зависимости от положения космического корабля относительно желаемой цели приземления.

выше: Иллюстрация концепции Range Trigger - на примере исторической / Марсианской научной лаборатории (MSL) / места посадки Curiosity.

Кроме того, на этапе спуска изображения будут сравниваться в режиме реального времени с сохраненными картами местности, чтобы повысить точность определения места приземления:

КАК НАВИГАЦИЯ С ОТНОШЕНИЕМ К МЕСТНОСТИ УЛУЧШАЕТ ВХОД, СПУСК И ПОСАДКУ

Terrain-Relative Navigation значительно улучшает оценку положения вездехода относительно земли. Повышение точности во многом связано с тем, когда делаются оценки.

В предыдущих миссиях космический корабль с марсоходом оценивал свое местоположение относительно земли перед входом в марсианскую атмосферу, а также во время входа на основе первоначального предположения на основе радиометрических данных, предоставленных через Deep Space Network. Этот метод имел ошибку оценки до EDL около 0,6–1,2 мили (около 1–2 км), которая увеличивается примерно до (2–3 км) во время входа.

Используя Terrain-Relative Navigation, марсоход Mars 2020 оценит свое местоположение, спускаясь через марсианскую атмосферу на парашюте. Это позволяет марсоходу определять свое положение относительно земли с точностью около 200 футов (60 метров) или меньше.

Чтобы снизить риск входа, спуска и посадки, необходимы две вещи: точное знание того, куда направляется марсоход, и способность отклониться в более безопасное место, когда он направляется к сложной местности.

выше: Иллюстрация навигации относительно местности. « Навигация относительно местности помогает нам безопасно приземлиться на Марсе, особенно когда земля внизу полна опасностей, таких как крутые склоны и большие камни ! Отсюда .

В декабре 2014 года система технического зрения была испытана в пустыне Мохаве . :

выше: « Прототип системы Lander Vision для миссии НАСА «Марс-2020» был протестирован 9 декабря 2014 года во время полета корабля Masten Space Systems «Xombie» в воздушно-космическом порту Мохаве в Калифорнии. Фото: NASA Photo/Tom Чида " Отсюда .

Инерциальная навигация со случайными «исправлениями» для сброса положения в пределах желаемой точности.

Исправлениями могут быть фотографии земли, положения звезд, радиотриангуляция или данные с внешних станций слежения, а не только со спутников. Инерционная платформа будет иметь гироскопы для обеспечения жесткости, акселерометры для определения изменений скорости (ускорения) и подвесы для определения угловых изменений. Раскрутите гироскопы, введите начальную позицию и направление. И пусть компьютер распознает любые изменения с самого начала, чтобы обновить широту и долготу. Внешние исправления необходимы только для исправления ошибок, которые распространяются с течением времени.

Радар, методы картографирования местности, акселерометры и многие другие способы получить относительное представление о том, где вы находитесь.

Австрийский университет работает над этим прямо сейчас. Они используют бортовую камеру для навигации (см. ниже).

Кроме того, недавний дрон на Kickstarter использует одеметрию для позиционирования. Проект закончился не очень хорошо, но в безветренные дни, если нет проблем, дрон работает: См. здесь

Исследователи из Клагенфуртского университета Alpen-Adria-Universität из Клагенфурта участвуют в аналоговой миссии на Марс в Омане :

«Самолеты быстрые и очень маневренные. Они могут исследовать неизвестные среды, например, на Марсе, быстрее, чем наземные роботы», — объясняет Стефан Вайс (отдел технологий интеллектуальных систем в AAU). Однако он говорит: «Проблема, с которой мы сталкиваемся, — это навигация этих типов дронов в ситуациях, когда нет возможности полагаться на GPS». Чтобы решить эту проблему, он и его команда работали над дальнейшей разработкой методов автономной навигации на основе камер, предназначенных, среди прочего, для облегчения развертывания вертолетов во время миссий на Марс.

Испытуемый беспилотник представляет собой небольшой мультикоптер, оснащенный камерой и блоком инерциальных измерений, а также системой обработки данных. Стефан Вайс объясняет: «Алгоритмы навигации дрона были разработаны для навигации по местности исключительно на основе изображений, записанных его собственной бортовой камерой, и на основе собственных инерциальных измерений системы». В случае миссии в Омане , после развертывания самолета изображения, зафиксированные бортовой камерой, будут синхронизированы с инерциальными данными и GPS. Цель состоит в том, чтобы проверить, правильно ли работает визуальное определение местоположения самолета. «Мы планируем использовать мультикоптер в разное время суток и на разных ландшафтах. Впоследствии полученные результаты будут сравниваться», — объясняет Вайс.

Эксперименты будут проводиться в рамках миссии AMADEE-18 Австрийского космического форума. Центр управления полетами находится в Центре поддержки миссий в Инсбруке. Эта команда по размеру соответствует наземному управлению Земли и будет общаться с 15 членами полевой бригады в Омане, состоящей из представителей девяти разных стран, включая аналоговых астронавтов. Они будут проводить эксперименты в области инженерии, пилотируемых исследований поверхностей планет, астробиологии, геофизики/геологии, наук о жизни и многого другого. Миссия запланирована на период с 1 по 28 февраля 2018 года.