Följande är det sista utdraget från min nya bok, 'Otroliga berättelser från rymden: En titt bakom kulisserna på uppdragen som förändrar vår syn på kosmos.' Boken är en inblick i flera aktuella NASA-robotuppdrag, och det här utdraget är del 3 av 3 publicerad här på Universe Today, av kapitel 2, 'Roving Mars with Curiosity.' Du kan läsa Del 1 här , och Del 2 här . Boken finns i tryck eller e-bok (Kindle eller Nook) Amazon och Barnes & Noble .
Hur man kör en Mars Rover
Hur vet Curiosity var och hur man kör över Mars yta? Du kanske tänker dig att ingenjörer på JPL använder joysticks, liknande de som används för fjärrkontrollleksaker eller videospel. Men till skillnad från RC-körning eller spel, har Mars rover-förare inte omedelbara visuella ingångar eller en videoskärm för att se vart rover är på väg. Och precis som vid landningen finns det alltid en tidsfördröjning när ett kommando skickas till rovern och när det tas emot på Mars.
'Det är inte att köra i en interaktiv bemärkelse i realtid på grund av tidsfördröjningen', förklarade John Michael Morookian, som leder teamet av roverförare.
Den faktiska jobbtiteln för Morookian och hans team är 'Rover Planners', som exakt beskriver vad de gör. Istället för att ’köra’ roversna i sig; de planerar rutten i förväg, programmerar specialiserad programvara och laddar upp instruktionerna till Curiosity.
'Vi använder bilder tagna av rover av dess omgivning,' sa Morookian. 'Vi har en uppsättning stereobilder från fyra svartvita navigeringskameror, tillsammans med bilder från Hazcams (kameror för att undvika fara), med stöd av högupplösta färgbilder från MastCam som ger oss detaljer om terrängens beskaffenhet framåt och ledtrådar om typer av stenar och mineraler på platsen. Detta hjälper till att identifiera strukturer som ser intressanta ut för forskarna.”
Med hjälp av all tillgänglig data kan de skapa en tredimensionell visualisering av terrängen med specialiserad programvara som kallas Rover Sequencing and Visualization Program (RSVP).
'Detta är i grunden en Mars-simulator och vi lägger en simulerad Curiosity i ett panorama av scenen för att visualisera hur roveren kunde korsa på sin väg,' förklarade Morookian. ”Vi kan också sätta på stereoglasögon, som gör att våra ögon kan se scenen i tre dimensioner som om vi vore där med rovern.
I virtuell verklighet kan roverförarna manipulera scenen och rovern för att testa alla möjligheter för vilka rutter som är de bästa och vilka områden de ska undvika. Där kan de göra alla misstag (fastna i en dyn, tippa rovern, krascha in i en stor sten, köra av ett stup) och fullända körsekvensen medan den riktiga rovern förblir säker på Mars.
'Forskarna granskar också bilderna efter funktioner som är intressanta och rådgör med Rover Planners för att hjälpa till att definiera en väg. Sedan komponerar vi de detaljerade kommandon som är nödvändiga för att få nyfikenhet från punkt A till punkt B längs den vägen”, sa Morookian. ''Vi kan också införliva de kommandon som behövs för att ge rovern riktning för att få kontakt med platsen med hjälp av sin robotarm.'
När Curiositys navigeringskameror (Navcams) tar svartvita bilder och skickar tillbaka dem till jorden varje dag, kombinerar roverplanerare dem med andra roverdata för att skapa 3D-terrängmodeller. Genom att lägga till en datoriserad 3D rovermodell till terrängmodellen kan roverplanerare bättre förstå roverns position, såväl som avstånden till och skalan av funktioner i landskapet. Kredit: NASA/JPL-Caltech.
Så varje natt beordras roveraren att stänga av i åtta timmar för att ladda batterierna med kärnkraftsgeneratorn. Men först skickar Curiosity data till jorden, inklusive bilder av terrängen och all vetenskaplig information. På jorden tar Rover-planerarna dessa data, gör sitt planeringsarbete, slutför mjukvaruprogrammeringen och skickar informationen tillbaka till Mars. Då vaknar Curiosity, laddar ner instruktionerna och sätter igång. Och cykeln upprepas.
Curiosity har också en AutoNav-funktion som gör det möjligt för roveraren att korsa områden som teamet ännu inte har sett i bilder. Så den kan gå över kullen och ner på andra sidan till okänt territorium, med AutoNav som känner av potentiella faror.
'Vi använder det inte för ofta eftersom det är beräkningsmässigt dyrt, vilket innebär att det tar mycket längre tid för rovern att fungera i det läget,' sa Morookian. 'Vi tycker ofta att det är en bättre affär att bara komma in nästa dag, titta på bilderna och köra så långt vi kan se.'
En vy av Space Flight Operations Facility vid Jet Propulsion Laboratory, där all data som går både till och från alla planetariska uppdrag skickas och tas emot via Deep Space Network. Kredit: Nancy Atkinson.
När Morookian visade mig de olika rummen som används av roverplaneringsteam på JPL, förklarade han hur de måste arbeta över ett antal olika tidsskalor.
'Vi har inte bara den dagliga ruttplaneringen', sa han, 'men gör också strategisk planering på lång räckvidd med hjälp av orbitalbilder från HiRISE-kameran på Mars Reconnaissance Orbiter och väljer vägar baserat på funktioner som ses från omloppsbanan. Vårt team arbetar strategiskt och ser många månader framåt för att definiera de bästa vägarna.”
En annan process som kallas Supra-Tactical ser ut till bara nästa vecka. Detta innebär att vetenskapsplanerare hanterar och förfinar de typer av aktiviteter som rovern kommer att göra på kort sikt. Dessutom, eftersom ingen i teamet bor på Mars Time längre, på fredagar arbetar Rover Planners ut planerna i flera dagar.
'Eftersom vi inte jobbar helger innehåller fredagsplanerna flera olika aktiviteter', sa Morookian. 'Två parallella team bestämmer vilka dagar rovern ska köra och vilka dagar den ska göra andra aktiviteter, som att arbeta med robotarmen eller andra instrument.'
Datan som kommer ner från rovern under helgen övervakas dock och om det uppstår problem kallas ett team in för att göra en mer detaljerad bedömning. Morookian indikerade att de har varit tvungna att engagera nödhelgsteamet flera gånger, men hittills har det inte varit några allvarliga problem. 'Det håller oss dock på tårna', sa han.
Rovern har ett antal reaktiva säkerhetskontroller av roverdäckets totala lutning och artikulationen av hjulens fjädringssystem, så om rovern kör över ett föremål som är för stort stannar den automatiskt.
Nyfikenhet byggdes inte för hastighet. Den designades för att resa upp till 660 fot (200 meter) på en dag, men den reser sällan så långt i en Sol. I början av 2016 hade rovern totalt kört cirka 7,5 miles (12 km) över Mars yta.
Den här bilden visar en närbild av spårmärken som lämnats av Curiosity-rovern. Hål i roverns hjul, som ses här i denna vy, lämnar avtryck i spåren som kan användas för att hjälpa roveren att köra mer exakt. Avtrycket är morsekod för 'JPL' och hjälper till att spåra hur långt roveren har färdats. Kredit: NASA/JPL-Caltech.
Det finns flera sätt att avgöra hur långt Curiosity har färdats, men det mest exakta måttet kallas 'Visual Odometry'. Curiosity har specialiserade hål i sina hjul i form av morsekodbokstäver som stavar ut 'JPL' – en nick till hemmet av roverns vetenskaps- och ingenjörsteam – över Marsmarken.
'Visuell odometri fungerar genom att jämföra det senaste paret stereobilder som samlats in ungefär varje meter över enheten,' sa Morookian. 'Individuella funktioner i scenen matchas och spåras för att ge ett mått på hur kameran (och därmed rovern) har översatts och roterats i 3-dimensionellt utrymme mellan de två bilderna och det berättar i en mycket verklig mening hur långt Curiosity har gått .”
En noggrann inspektion av roverbanorna kan avslöja vilken typ av dragkraft hjulen har och om de har halkat, till exempel på grund av höga sluttningar eller sandig mark.
Tyvärr har Curiosity nu nya hål i sina hjul som inte är tänkta att finnas där.
Rover problem
Morookianen och projektforskaren Ashwin Vasavada uttryckte båda lättnad och tillfredsställelse över att totalt sett - så här långt in i uppdraget - Curiosity är en ganska frisk rover. Hela vetenskapens nyttolast fungerar för närvarande med nästan full kapacitet. Men ingenjörsteamet håller ett öga på några frågor.
'Omkring sol 400 insåg vi att hjulen nöts snabbare än vi förväntat oss,' sa Vasavada.
Teamet som använder Curiosity Mars rover använder Mars Hand Lens Imager (MAHLI) kamera på roverns arm för att kontrollera hjulens tillstånd med rutinmässiga intervall. Den här bilden av Curiositys vänstra mitten och vänster bakhjul är en del av en inspektion som togs den 18 april 2016, under den 1 315:e solen av roverns arbete på Mars. Kredit: NASA/JPL-Caltech/MSSS.
Och slitaget bestod inte bara av små hål; teamet började se punkteringar och otäcka tårar. Ingenjörer insåg att hålen skapades av de hårda, taggiga stenarna som rovern körde över under den tiden.
'Vi förväntade oss inte helt den typ av 'spetsiga' stenar som gjorde skada,' sa Vasavada. 'Vi gjorde också en del tester och såg hur ett hjul kunde trycka in ett annat hjul i en sten, vilket förvärrade skadorna. Vi kör nu mer försiktigt och kör inte så länge som vi har gjort tidigare. Vi har kunnat jämna ut skadorna till en mer acceptabel nivå.'
Tidigt i uppdraget gick Curiositys dator i 'säkert läge' flera gånger, eftersom Curiositys mjukvara upptäckte ett problem, och svaret var att förbjuda ytterligare aktivitet och ringa hem.
Specialiserad felskyddsprogramvara körs genom modulerna och instrumenten, och när ett problem uppstår stannar rovern och skickar data som kallas 'händelseposter' till jorden. Dokumenten inkluderar olika kategorier av brådskande, och i början av 2015 skickade rover ett meddelande som i huvudsak sa: 'Detta är väldigt, väldigt dåligt.' Borren på roverns arm hade upplevt en fluktuation i en elektrisk ström – som en kortslutning.
'Curiositys mjukvara har förmågan att upptäcka kortslutningar, som jordfelsbrytaren du har i ditt badrum,' förklarade Morookian, 'förutom att den här säger till dig 'det här är väldigt, väldigt dåligt' istället för att bara ge dig ett gult ljus.'
Eftersom teamet inte kan åka till Mars och reparera ett problem, fixas allt antingen genom att skicka programuppdateringar till rovern eller genom att ändra operativa procedurer.
Curiositys borrning i tornet av verktyg i änden av robotarmen placerad i kontakt med bergytan för den första borrningen av uppdraget på den 170:e solen av Curiositys arbete på Mars (27 januari 2013) i Yellowknife Bay. Bilden togs av den främre Hazard-Avoidance Camera (Hazcam). Bildkredit: NASA/JPL-Caltech.
'Vi är bara mer försiktiga nu med hur vi använder borren,' sa Vasavada, 'och borra inte med full kraft i början, utan sakta uppåt. Det är ungefär som vi kör nu, mer försiktigt men det blir ändå jobbet gjort. Det har inte haft någon stor inverkan än.'
En lättare beröring på borren var också nödvändig för de mjukare lerstenar och sandstenar som roveren stötte på. Morookian sa att det fanns oro för att de skiktade stenarna kanske inte skulle hålla i sig under attacken av standardborrprotokollet, och därför justerade de tekniken för att använda de lägsta 'inställningarna' som fortfarande gör att borren kan göra tillräckliga framsteg in i berget.
Men möjligheterna att använda borren ökar när Curiosity börjar sin travers uppför berget. Rovern färdas genom vad Vasavada kallar ett 'målrikt, mycket intressant område', eftersom vetenskapsteamet arbetar för att binda samman det geologiska sammanhanget för allt de ser på bilderna.
Att hitta balans på Mars
Medan omledningen vid Yellowknife Bay tillät teamet att göra några stora upptäckter, kände de press att ta sig till Mt. Sharp, så 'körde som fan i ett år', sa Vasavada.
Nu på berget finns det fortfarande trycket att få ut det mesta av uppdraget, med målet att ta sig igenom minst fyra olika bergenheter – eller lager – på Mt. Sharp. Varje lager kan vara som ett kapitel i boken om Mars historia.
En del av ett panorama från Curiositys Mastcam visar den robusta ytan på 'Naukluft Plateau' plus en del av kanten på Gale Crater, tagen den 4 april 2016 eller Sol 1301. Kredit: NASA/JPL-Caltech/MSSS
'Att utforska Mt. Sharp är fascinerande,' sa Vasavada, 'och vi försöker upprätthålla en blandning mellan riktigt bra upptäckter, som – man hatar att säga – saktar ner oss och att komma högre upp på berget. Att titta noga på en sten framför dig betyder att du aldrig kommer att kunna gå över och titta på den andra intressanta stenen där borta.'
Vasavada och Morookian sa båda att det är en utmaning att bevara den balansen varje dag – att hitta det som kallas 'knäet i kurvan' eller 'sweet spot' för den perfekta optimeringen mellan körning och stopp för vetenskap.
Sedan finns det balansen mellan att stanna för att göra en fullständig observation med alla instrument och att göra 'flyby science' där mindre intensiva observationer görs.
'Vi tar de observationer vi kan och genererar alla hypoteser vi kan i realtid,' sa Vasavada. 'Även om vi har 100 öppna frågor, vet vi att vi kan svara på frågorna senare så länge vi vet att vi har tagit tillräckligt med data.'
Curiositys primära mål är inte toppmötet, utan istället en region cirka 1 330 fot (400 meter) upp där geologer förväntar sig att hitta gränsen mellan stenar som såg mycket vatten i sin historia och de som inte gjorde det. Den gränsen kommer att ge insikt i Mars övergång från en våt planet till torr, och fylla i en viktig lucka i förståelsen av planetens historia.
Curiosity-roveraren spelade in den här bilden av solnedgången vid slutet av uppdragets 956:e sol (15 april 2015), från roverns plats i Gale Crater. Detta var den första solnedgången som observerades i färg av Curiosity. Bilden kommer från vänsterögonkameran på roverns Mast Camera (Mastcam). Kredit: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Texas A&M University.
Ingen vet riktigt hur länge Curiosity kommer att pågå, eller om det kommer att överraska alla som sina föregångare Spirit och Opportunity. Efter att ha tagit sig förbi det 'primära uppdraget' på ett år på Mars (två jordår), och nu i det utökade uppdraget, är den enda stora variabeln RTG-strömkällan. Även om den tillgängliga kraften kommer att börja minska stadigt, förväntar sig både Vasavada och Morookian inte att det kommer att vara ett problem på minst fyra jordår till, och med rätt 'vårdande' kan kraften pågå i ett dussin år eller mer.
Men de vet också att det inte finns något sätt att förutsäga hur länge Curiosity kommer att ta, eller vilken oväntad händelse som kan avsluta uppdraget.
Odjuret
Har Curiosity en personlighet som de tidigare Mars-rovers?
'Faktiskt nej, vi verkar inte antropomorfiera denna rover som folk gjorde med Spirit and Opportunity,' sa Vasavada. 'Vi har inte kopplat känslomässigt till det. Sociologer har faktiskt studerat detta.' Han skakade på huvudet med ett roade leende.
Vasavada indikerade att det kan ha något att göra med Curiositys storlek.
'Jag ser det som ett gigantiskt odjur,' sa han rakt i ansiktet. 'Men inte alls på ett elakt sätt.'
Nyfikenhet verkar fotobombera Mount Sharp i den här selfiebilden, en mosaik skapad av flera MAHLI-bilder. Kredit: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Redigerad av Jason Major.
Vad som har kommit att känneteckna detta uppdrag, sa Vasavada, är komplexiteten i det, i alla dimensioner: den mänskliga komponenten av att få 500 personer att arbeta och samarbeta tillsammans samtidigt som man optimerar allas talanger; hålla rover säker och frisk; och att hålla tio instrument igång varje dag, som ibland gör helt orelaterade vetenskapsuppgifter.
'Varje dag är våra egna små 'sju minuter av terror', där så många saker måste gå rätt varje dag, sa Vasavada. 'Det finns en miljon potentiella problem och interaktioner, och du måste hela tiden tänka på alla sätt saker kan gå fel på, för det finns en miljon sätt du kan förstöra. Det är en intrikat dans, men lyckligtvis har vi ett fantastiskt team.'
Sedan tillade han med ett leende: 'Det här uppdraget är spännande, även om det är ett odjur.'
'Otroliga berättelser från rymden: en titt bakom kulisserna på uppdragen som förändrar vår syn på kosmos' är publicerad av Page Street Publishing , ett dotterbolag till Macmillan.
Författare Nancy Atkinson vid JPL med en modell av Curiosity Rover.