El software encuentra la mejor manera de conseguir un aterrizaje en Marte

Un autorretrato del rover Curiosity Mars de la NASA. Crédito: NASA / JPL-Caltech / MSSS..

Los usuarios del programa pueden jugar con escenarios de planificación de aterrizaje y ruta para identificar sitios de aterrizaje óptimos para los exploradores de Marte. 

Seleccionar un sitio de aterrizaje para un rover dirigido a Marte es un proceso largo que normalmente involucra a grandes comités de científicos e ingenieros. Estos comités típicamente pasan varios años sopesando los objetivos científicos de una misión contra las limitaciones de ingeniería de un vehículo, para identificar sitios que son científicamente interesantes y seguros para aterrizar. 

Por ejemplo, el equipo científico de una misión puede querer explorar ciertos sitios geológicos en busca de signos de agua, vida y habitabilidad. Pero los ingenieros pueden encontrar que esos sitios son demasiado empinados para que un vehículo aterrice con seguridad, o las ubicaciones pueden no recibir suficiente luz solar para alimentar los paneles solares del vehículo una vez que ha aterrizado. Encontrar un sitio de aterrizaje adecuado, por lo tanto, implica reconstruir la información recopilada a lo largo de los años por misiones pasadas de Marte. Estos datos, aunque crecen con cada misión, son irregulares e incompletos. 

Ahora los investigadores del MIT han desarrollado una herramienta de software para el descubrimiento asistido por ordenador que podría ayudar a los planificadores de misiones a tomar estas decisiones. Produce automáticamente mapas de sitios de aterrizaje favorables, utilizando los datos disponibles sobre la geología y el terreno de Marte, así como una lista de prioridades científicas y restricciones de ingeniería que un usuario puede especificar. 

Como ejemplo, un usuario puede estipular que un rover debe aterrizar en un sitio donde pueda explorar ciertos objetivos geológicos, como lagos de cuenca abierta. Al mismo tiempo, el sitio de aterrizaje no debe exceder una cierta pendiente, de lo contrario el vehículo se derrumbaría al intentar aterrizar. El programa luego genera un "mapa de favorabilidad" de los sitios de aterrizaje que cumplen ambas restricciones. Estas ubicaciones pueden cambiar y cambiar a medida que el usuario agrega especificaciones adicionales. 

El programa también puede establecer las rutas posibles que un rover puede tomar desde un sitio de aterrizaje determinado hasta ciertas características geológicas. Por ejemplo, si un usuario especifica que un rover debería explorar las exposiciones a las rocas sedimentarias, el programa genera caminos hacia cualquiera de esas estructuras cercanas y calcula el tiempo que llevaría alcanzarlas. 

Victor Pankratius, científico principal de investigación en el Instituto Kavli para Astrofísica e Investigación Espacial del MIT, dice que los planificadores de misiones pueden usar el programa para considerar de manera rápida y eficiente los diferentes escenarios de aterrizaje y exploración. 

"Esto nunca va a reemplazar al comité real, pero puede hacer las cosas mucho más eficientes, porque puedes jugar con diferentes escenarios mientras hablas", dice Pankratius. 

El estudio del equipo fue publicado en línea el 31 de agosto por Earth and Space Science y forma parte del número en línea de la revista el 8 de septiembre. 

La figura muestra los pasos sucesivos para imitar a un vehículo explorador que circula por Marte. Los investigadores del MIT desarrollaron un método para caracterizar primero el terreno sobre el área de interés. En función de esa caracterización y las características del rover, utilizan un algoritmo de "marcha rápida" para estimar la velocidad del rover, que utilizan para calcular el tiempo que lleva conducir a cualquier parte de esa área. También pueden estimar el camino más corto desde una ubicación inicial, a un objetivo, a una ubicación final. Crédito: NASA / JPL / Universidad de Arizona, Guillaume Rongier.

Nuevos sitios 

Pankratius y el postdoc Guillaume Rongier, en el Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias del MIT, crearon el programa para identificar sitios de aterrizaje favorables para una misión conceptual similar al rover Mars 2020 de la NASA, que está diseñado para aterrizar en áreas horizontales, incluso sin polvo. y tiene como objetivo explorar un sitio antiguo, potencialmente habitable, con afloramientos magmáticos. 

Descubrieron que el programa identificó muchos sitios de aterrizaje para el rover que se han considerado en el pasado, y destacaron otros sitios de aterrizaje prometedores que rara vez se propusieron. "Vemos que hay sitios que podríamos explorar con las tecnologías de rover existentes, que los comités de los sitios de aterrizaje pueden querer reconsiderar", dice Pankratius. 

El programa también podría usarse para explorar los requisitos de ingeniería para las futuras generaciones de rovers de Marte. "Suponiendo que puede aterrizar en curvas más pronunciadas, o conducir más rápido, podemos deducir qué nuevas regiones puede explorar", dice Pankratius. 

Un aterrizaje difuso 

El software se basa en parte en la "lógica difusa", un esquema de lógica matemática que agrupa cosas no de forma binaria como la lógica booleana, como sí / no, verdadero / falso o seguro / inseguro, pero de una manera más fluida, basada en la probabilidad Moda. 

"Tradicionalmente, esta idea proviene de las matemáticas, donde en vez de decir que un elemento pertenece a un conjunto, sí o no, la lógica difusa dice que pertenece con una cierta probabilidad", lo que refleja información incompleta o imprecisa, explica Pankratius. 

En el contexto de encontrar un sitio de aterrizaje adecuado, el programa calcula la probabilidad de que un rover pueda subir una cierta pendiente, y la probabilidad disminuye a medida que la ubicación se hace más empinada. 

"Con la lógica difusa, podemos expresar esta probabilidad espacialmente, qué malo es si estoy así de empinado, contra está pendiente", dice Pankratius. "Es una forma de lidiar con la imprecisión, en cierto modo". 

Mediante el uso de algoritmos relacionados con la lógica difusa, el equipo crea mapas de favorabilidad crudos o iniciales de posibles sitios de aterrizaje en todo el planeta. Estos mapas se cuadriculan en celdas individuales, cada una representa aproximadamente 3 kilómetros cuadrados en la superficie de Marte. El programa calcula, para cada celda, la probabilidad de que sea un sitio de aterrizaje favorable, y genera un mapa graduado por colores para representar probabilidades entre 0 y 1. Las celdas más oscuras representan sitios con una probabilidad cercana a cero de ser un aterrizaje favorable sitio, mientras que las ubicaciones más ligeras tienen una mayor probabilidad de un aterrizaje seguro con interesantes perspectivas científicas. 

Una vez que generan un mapa en bruto de posibles sitios de aterrizaje, los investigadores tienen en cuenta varias incertidumbres en el lugar de aterrizaje, como cambios en la trayectoria y posibles errores de navegación durante el descenso. Teniendo en cuenta estas incertidumbres, el programa genera las elipses de aterrizaje, o los objetivos circulares donde es probable que aterrice un rover para maximizar la seguridad y la exploración científica. 

El programa también utiliza un algoritmo conocido como marcha rápida para trazar rutas que un rover puede tomar sobre un terreno dado una vez que aterriza. La marcha rápida se usa generalmente para calcular la propagación de un frente, como de rápido un frente de viento llega a una orilla si se viaja a una velocidad determinada. Por primera vez, Pankratius y Rongier aplicaron marcha rápida para calcular el tiempo de viaje de un rover mientras viaja desde un punto de partida a una estructura geológica de interés. 

"Si estás en algún lugar de Marte y obtienes este mapa procesado, puedes preguntar: 'Desde aquí, ¿qué rápido puedo ir a cualquier punto de mi entorno? Y este algoritmo te dirá ", dice Pankratius. 

El algoritmo también puede trazar rutas para evitar ciertos obstáculos que pueden ralentizar el viaje de un rover, y trazar las probabilidades de golpear ciertos tipos de estructuras geológicas en un área de aterrizaje. 

"Es más difícil para un rover atravesar el polvo, por lo que irá a un ritmo más lento, y el polvo no necesariamente está en todas partes, solo en parches", dice Rongier. "El algoritmo tendrá en cuenta esos obstáculos al mapear las trayectorias de recorrido más rápidas". 

Los equipos dicen que los operadores de rovers actuales en la superficie de Marte pueden usar el programa de software para dirigir los vehículos de manera más eficiente a sitios de interés científico. En el futuro, Pankratius prevé que esta técnica o algo similar se integrará en rovers cada vez más autónomos que no requieren humanos para operar los vehículos todo el tiempo desde la Tierra. 

"Un día, si contamos con rovers totalmente autónomos, pueden tener en cuenta todas estas cosas para saber a dónde pueden ir y ser capaces de adaptarse a situaciones imprevistas", dice Pankratius. "Desea autonomía, de lo contrario puede llevar mucho tiempo comunicarse de ida y vuelta cuando tiene que tomar decisiones críticas rápidamente". 

El equipo también está estudiando las aplicaciones de las técnicas de exploración de sitios geotérmicos en la Tierra en colaboración con el Laboratorio de Recursos Terrestres del MIT en el Departamento de Ciencias Terrestres, Atmosféricas y Planetarias. 

"Es un problema muy similar", dice Pankratius. "En lugar de decir '¿Es este un buen sitio, sí o no?' usted puede decir: "Muéstreme un mapa de todas las áreas que probablemente serían viables para la exploración geotérmica". 

A medida que mejoran los datos, tanto para Marte como para las estructuras geotérmicas en la Tierra, él dice que los datos pueden ser incorporados al programa existente para proporcionar análisis más precisos. 

"El programa es incrementalmente increíble", dice. 

Esta investigación fue financiada, en parte, por la NASA y la National Science Foundation. 

Fuente: MIT,