Инженерные вызовы Марса: как налаживать связь, навигацию и вычисления без инфраструктуры

Чтобы разобраться, как действовать и выживать в марсианских условиях, на Земле проводят имитационные миссии. Ученые находят местность, похожую на Красную планету, селят туда людей на неделю, месяц, год, отрабатывают процессы и тестируют технику. По сути, инженерам приходится заново переосмысливать базовые решения.

По всему миру прошло уже несколько десятков марсианских имитационных миссий, и мне удалось поучаствовать в двух из них. В 2024 году в миссии AMADEE-24 от Австрийского космического форума (OeWF) я работал специалистом-оператором в Центре управления, взаимодействовал с космонавтами и координировал эксперименты. Проходила она в Армении: ученые нашли локацию, которая по рельефу, геологии и внешнему виду действительно похожа на Марс. В следующей миссии World’s Biggest Analog (WBA) я уже был руководителем полета — еще расскажу о ней ниже.

Такие «марсианские» базы построены в пустынях Сахары, снегах Арктики и не только. На обложке к этой статье вы видите фото марсианской базы HI-SEAS с сайта The Atlantic — она расположена на вулкане Мауна-Лоа на острове Гавайи. Место выбирают не из-за внешней схожести с Красной планетой, а из-за сочетания факторов — изоляции, геологии и рельефа, климата, сложности логистики. Да, полностью имитировать марсианскую среду на Земле невозможно, но это не мешает отрабатывать основные подходы и протоколы взаимодействия с техникой.

Даже на этом примере понятно: инженерам есть чем заняться в имитационных миссиях. Вызовов много, но сегодня поговорим о трех ключевых:

• навигация,
• связь,
• вычисления.

От качества навигации на Марсе зависят безопасность экипажа и эффективность научной программы. Перед навигационными системами марсианских миссий стоит сразу несколько задач:

• Определять координаты перемещения космонавтов и техники на поверхности — хотя бы в локальной системе, привязанной к базе или посадочному модулю.
• Планировать и пересчитывать траекториидвижения марсоходов с учетом уклонов, типа грунта, энергозатрат и научных приоритетов.
• Проверять, как работают навигационные датчики и алгоритмы автономного движения при отсутствии GPS и постоянной поддержки с Земли.

На Земле задача навигации решается при помощи глобальной инфраструктуры спутниковых систем: GPS, ГЛОНАСС и их аналоги непрерывно передают радиосигналы с точным временем и параметрами своей орбиты. Приёмник (в том числе в наших телефонах) получает сигналы сразу от нескольких спутников и измеряет задержку. Зная скорость распространения радиосигнала, система вычисляет расстояние до каждого спутника и с помощью триангуляции определяет свое положение в трехмерном пространстве с точностью до метров и даже сантиметров.

На Марсе глобальных навигационных систем нет. Поэтому основой ориентации здесь станет локальное навигационное поле — сеть фиксированных ориентиров и маяков, размещенных вокруг базы или ключевых участков миссии. Маяки могут быть оптическими, радиочастотными или ультразвуковыми. Они обеспечат космонавтам и марсоходам точное позиционирование в пределах нескольких десятков или сотен метров. Все подвижные объекты будут вести свои координаты относительно этих локальных «маяков», строить подробные карты участка и периодически сверять их друг с другом.

Локальное навигационное поле выполняет ту же функцию, что и GPS на Земле. Разница только в ограниченном пространстве и обязательной интеграции с картами поверхности и визуальными ориентирами.

Важно понимать, что измерения носят относительный характер: «Я был здесь и проехал туда». Текущее положение вычисляется как сумма всех предыдущих перемещений. Небольшие ошибки — неточный шаг, проскальзывание на грунте или погрешность в направлении движения — сначала почти незаметны, но с каждым новым маршрутом накапливаются и влияют на результат. На Марсе нет глобальной системы координат, поэтому такие ошибки невозможно регулярно «сбрасывать», а значит, со временем расчетное положение станет заметно расходиться с реальным.

Чем больше данных мы имеем, тем ниже риски. Поэтому в дополнение к локальной навигации на Марсе будет использоваться инерциальная. К слову, у марсоходов сейчас как раз такая система.

Этот метод позволяет определить положение и ориентацию объектов без внешних сигналов. Она основана на данных с акселерометров, которые измеряют ускорение, и гироскопов, измеряющих угловую скорость. Датчики устанавливаются прямо на платформу или в скафандр космонавта. Система интегрирует показания во времени, чтобы вычислять текущее положение, скорость и направление движения относительно начальной точки.

Этот метод не зависит от спутников или внешних ориентиров, поэтому его особенно ценят при автономных маневрах на Марсе или временной потере связи с маяками. Но недостатки тут тоже есть: даже небольшие погрешности сенсоров постепенно приводят к дрейфу. Поэтому инерциальная навигация используется в сочетании с локальными маяками, визуальными ориентирами или периодической корректировкой по карте.

В этом методе оценивают пройденный путь и положение объекта на основе измерения вращения колес или шагов. Каждый оборот колеса преобразуется в пройденное расстояние, а система учитывает направление движения, чтобы обновлять координаты в локальной карте. Но тут тоже есть проблемы. Основная — пробуксовка: если колеса проскальзывают в рыхлом грунте, пройденное расстояние оказывается меньше реального. Расчет позиции тоже будет неточным, поэтому накапливаются ошибки (да, снова).

Но ни один из перечисленных выше методов не гарантирует абсолютной точности, поэтому на практике их применяют в комплексе. Навигация на Марсе устроена как многослойная система: разные источники данных постоянно сверяются и корректируют друг друга, снижая суммарную погрешность и сохраняя устойчивость навигации на больших дистанциях.

Любой сбой в передаче данных на Марсе может привести к потере контроля над техникой и экипажем. Связь должна работать на нескольких уровнях одновременно:

• между Землей и Марсом — для передачи команд, телеметрии и научных данных с учетом задержки сигнала до десятков минут;
• между базой и марсоходами, которые могут находиться за пределами прямой видимости или за укрытиями рельефа;
• между самими космонавтами во время выходов на поверхность и внутри скафандров, где связь интегрирована с системами жизнеобеспечения и мониторинга состояния человека
• между датчиками, модулями и вычислительными системами.

Вызовов здесь тоже хватает. Дальше — как раз о них.

Начнем с задержки сигнала между Землей и Марсом, которая исключает управление в реальном времени. Марс находится за 50−400 млн км от нас, в зависимости от расположения планет. Радиосигнал передается со скоростью света — 300 тысяч км в секунду, только в одну сторону он будет идти от 4 до 24 минут. Если на Международной космической станции (МКС) связь есть почти всегда и космонавты могут советоваться с Центром управления, то на Марсе техника и экипаж должны уметь работать автономно и принимать решения без немедленной поддержки с Земли.

Чтобы решить проблему с задержкой сигнала, используются протоколы взаимодействия. Они заранее учитывают возможные разрывы и потерю пакетов данных: каждая команда на Марс и обратно сопровождается подтверждениями, тайм-аутами и сценариями на случай, если ответа не будет. По сути, система общения с Марсом как асинхронный обмен задачами и отчетами, где техника и экипаж должны уметь действовать автономно между сеансами связи.

На Земле связь опирается на плотную сеть базовых станций, спутников, ретрансляторов и резервных каналов. На Марсе все это приходится создавать с нуля. Системы связи проектируются как автономные, локальные и избыточные, которые смогут работать даже при частичном отказе сети и постепенно «наращивать» инфраструктуру по мере развития миссии. К тому же Марс может быть повернут к Земле не той стороной, где размещены наземные станции связи, и такие случаи инженерам тоже придется предусмотреть. Дополнительные сложности создает марсианский рельеф: холмы, кратеры и скалы легко блокируют радиосигнал между марсоходом и базой.

Решением могут стать ретрансляторы — специальные спутники на орбите, которые получают сигнал и передают его дальше, будь то Земля или Марс. Сейчас такую схему используют для МКС. Еще ретрансляторы выполняют функцию буферов данных: они могут сохранять информацию и передавать ее, когда канал становится стабильным.

Буферизация — тоже важная часть к подходу связи на Марсе. Команды, телеметрия, изображения и другие данные сначала сохраняются в памяти отправителя или промежуточного узла — например, марсохода, базы, орбитального ретранслятора, а потом уходят получателю. Передача считается завершенной только после подтверждения о доставке, которое может прийти через несколько минут или даже часов.

Если подтверждение не получено, система автоматически планирует повторную отправку без участия человека. Данные передаются пакетами, каждый из них снабжен контрольными суммами и кодами коррекции ошибок. Это позволяет обнаруживать и исправлять искажения, вызванные помехами, солнечной активностью или временными разрывами связи.

Вычислительные системы собирают данные от датчиков среды, скафандров, марсоходов и научных приборов, обрабатывают их в реальном времени и превращают в решения, понятные человеку и автономным алгоритмам. Давайте разбираться, что мешает их работе на Марсе:

• Суровые условия. Например, средняя температура по планете составляет около -60 °C, а суточный перепад в течение одних марсианских суток — 60−80 °C. Чтобы техника могла работать, нужны системы терморегулирования, а они тоже потребляют много энергии.
• Радиация. На Земле нас спасает магнитное поле, но на Марсе оно гораздо слабее. Космическая радиация может вызывать одиночные ошибки в памяти и процессорах, так что проверять целостность данных и вычислений придется постоянно. Конечно, можно закопаться в марсианский грунт на 3 метра — тогда уровень будет примерно как на Земле. Но для дублирования защиты стойкость к радиации должна быть.
• Сложность связи с Землей и ограниченная пропускная способность. Выше я уже писал, что сигнал от Земли до Марса идет от 4 до 24 минут. «Отдать расчет на аутсорсинг» Земле в критический момент не выйдет. Большая часть анализа и принятия решений должна происходить на месте.
• Ограниченные ресурсы. Космические компьютеры уступают земным по мощности. Доставить крупные серверы и множество машин на Марс — это очень дорого. Только представьте: транспортировка 1 кг полезной нагрузки на поверхность Красной планеты может обойтись в сотни тысяч долларов.
• Энергетические ограничения. На марсианской базе — каждый ватт на счету, особенно в скафандрах и марсоходах. Это ощущается даже во время имитационных миссий: стоит космонавту включить чайник, как на всей станции падает электричество. Держать вычислительные системы на максимальной мощности на Марсе не выйдет.
• Общая сложность системы. Навигация, связь, жизнеобеспечение и наука связаны в единую вычислительную экосистему. Ошибка в одном модуле может каскадно влиять на другие.

На Земле в похожих условиях работают подводные роботы и научные базы в Арктике и Антарктиде. И вот какие инженерные подходы в этом помогли:

Распределенная архитектура. Вычисления разделяются между разными узлами — на Марсе это могут быть скафандр → марсоход → база → орбитальный аппарат → Земля. Отдельные компьютеры каждой системы могут самостоятельно принимать решения, обмениваться данными и координировать действия без постоянной поддержки с Земли. Такие архитектуры уже исследуются в рамках проектов NASA, например, Distributed Spacecraft Autonomy (DSA). Программное обеспечение позволяет нескольким космическим аппаратам действовать как скоординированной системе, распределять задачи и адаптироваться к изменениям обстановки с минимальным участием оператора на Земле. По той же причине данные «сжимаются» и отбираются еще на Марсе, а на Землю отправляется не все подряд, а только самое ценное.

Приоритезация вычислений. Критические задачи (безопасность, навигация) всегда приоритетнее научных. Второстепенные расчеты могут откладываться или выполняться пакетно. Такой подход помогает использовать ограниченные вычислительные ресурсы максимально эффективно. Критически важные функции — управление движением, мониторинг состояния экипажа, безопасность систем — выполняются в первую очередь, а менее срочные задачи обрабатываются по возможности. Благодаря этому миссия остается устойчивой даже при перегрузке или сбоях вычислительной системы, а риск потери управления или критических данных снижается.

Дублирование вычислительных блоков. Физически отремонтировать технику на Марсе или в межпланетном пространстве практически невозможно, а при отказе любой из систем цена ошибки слишком высока. Поэтому используются избыточные вычислительные блоки и механизмы самопроверки: ключевые элементы системы дублируются или даже троятся и сравниваются между собой. Это позволяет выявить и изолировать сбои, вызванные радиацией или другими факторами. Например, NASA разрабатывало подходы c fault-tolerant multiprocessorn— архитектуры с резервированием и программным обнаружением ошибок, позволяющей вычислительной системе продолжать работу даже при сбоях отдельных модулей.

Проверка на целостность. В космических системах проверка на целостность данных — обязательный этап приема, обработки и передачи информации. Алгоритмы проверяют, не были ли данные повреждены из-за радиации, сбоев оборудования или помех в канале связи. Для этого используются контрольные суммы, коды коррекции ошибок и дублирование критических сообщений. Если обнаруживается несоответствие, система может автоматически исправить ошибку или запросить повторную отправку данных. Такой подход позволяет гарантировать, что решения, принимаемые автономными системами на Марсе и операторами на Земле, основаны на достоверной информации.

Футуристичные технологии. Один из современных космических трендов — орбитальные дата-центры. Солнечную энергию на орбите можно использовать практически бесплатно, а вычислительные узлы на спутниках Марса могли бы обрабатывать данные прямо вблизи планеты. Для таких решений нужны огромные инвестиции. Посмотрим, как ситуация будет развиваться дальше и позволят ли технологии удешевить процесс.

Одна из самых интересных задач в рамках имитационных миссий — автономная работа марсоходов. На базе MDRS в США робот должен был самостоятельно оценить параметры своих систем: на какие действия ему хватит энергии, сможет ли он преодолеть препятствия и сохранить связь с базой. Иногда он переоценивал проходимость рыхлого грунта и не всегда точно рассчитывал время на задачи, но тем не менее успешно преодолевал запланированные маршруты и собирал данные для картирования местности. Опыт показал, что автономная оценка задач работает, но чтобы справляться с непредсказуемыми ситуациями, алгоритмы нужно откалибровать.

Как видно из примеров, которые я привел выше, каждая новая марсианская имитационная миссия дает нам возможность предугадать нештатные ситуации, проверить технологии и отработать процессы. И инженерам действительно удается решать смелые задачи и продумывать способы, как организовать навигацию, связь и вычисления там, где нет ничего. Шаг за шагом их работа приближает день, когда люди смогут отправиться на Марс, — и я оптимистично верю, что мы его застанем!