Utsikten över Stillhetens hav som stiger upp för att möta Neil Armstrong under den första astronautens landning på månen var inte vad Apollo 11-uppdragsplanerare hade tänkt sig. De hade hoppats kunna skicka månmodulen Eagle mot en relativt platt landningszon med få kratrar, stenar och stenblock. Istället, tittar genom sin lilla, trekantigt befälhavarfönster, Armstrong såg ett stenblock – mycket ovänligt för en månmodul. Så Apollo 11-befälhavaren tog kontroll över nedstigningen från omborddatorn, lotsar Eagle långt bortom boulderfältet, till en landningsplats som för alltid kommer att kallas Tranquility Base.

"Det hade varit månlandningar med robotrymdfarkoster före Apollo 11, sa Al Chen, inträde, ledning för nedstigning och landning för NASA:s Mars 2020-uppdrag vid Jet Propulsion Laboratory i Pasadena, Kalifornien. "Men aldrig tidigare hade en rymdfarkost på en nedstigning mot dess yta ändrat sin bana för att manövrera ur vägen."

Chen och hans Mars 2020-kollegor har erfarenhet av att landa rymdfarkoster på den röda planeten utan hjälp av en stålögd astronaut vid pinnen. Men Mars 2020 är på väg mot NASA:s största marsutmaning hittills. Jezero Crater är en 28 mil bred (45 kilometer bred) fördjupning full av branta klippsidor, sanddyner, stenblocksfält och små nedslagskratrar. Teamet visste att för att försöka landa vid Jezero – och med en rover som bär 50 % mer nyttolast än Curiosity rover, som landade på en mer godartad plats nära Mount Sharp – de skulle behöva öka sitt spel.

"Vad vi behövde var en Neil Armstrong för Mars, " sa Chen. "Det vi kom fram till var terrängrelativ navigering."

Bärad ombord Mars 2020, Terrängrelativ navigering (TRN) är en autopilot som under landning snabbt kan ta reda på rymdfarkostens position över — och ännu viktigare, beräkna dess framtida läge på Mars-ytan. Ombord, roverns dator lagrar en karta över faror inom Jezero Crater, och om den beräknade landningspunkten anses vara för farlig, TRN kommer att befalla Mars 2020:s nedstigningssteg för att flyga rover till den säkrast nåbara landningsplatsen.

Ett tvådelat system

För att landa en Apollo-månmodul på månen krävdes en besättning på två (Armstrong lät Buzz Aldrin mata honom med information om deras bana). Likaså, Terrängrelativ navigering är egentligen två system som arbetar tillsammans:Lander Vision System och Safe Target Selection-systemet.

"Den första halvan av terrängrelativ navigering är Lander Vision System [LVS], som bestämmer var rymdfarkosten är över Mars yta, sa Andrew Johnson, chef för vägledningsnavigering och kontrollundersystem för Mars 2020. "Om du säger det snabbt - LVS - kommer du att förstå varför lagets inofficiella maskot är Elvis Presley."

LVS:s operativa livslängd är hela 25 sekunder. Den kommer till liv vid 13-tiden, 000 fot (3, 960 meter), beordrar en kamera på roveraren att snabbt ta bild efter bild av Mars-ytan medan den fortfarande går ner i fallskärm. LVS granskar en bild i sekunden, dela var och en i rutor som täcker cirka 5, 000 fot (1, 520 meter) yta.

Dock, till skillnad från Neil Armstrong, LVS realtidsanalys letar inte efter specifika kraterkanter eller bergstoppar. Istället, inuti var och en av dessa lådor, eller landmärken, systemet letar efter unika mönster i kontrasterande ljus och mörker skapade av ytegenskaper som klippor, kratrar, stenblock och berg. Den jämför sedan alla ovanliga mönster med en karta i minnet. När den hittar fem landmärkesmatchningar i läget Grov landmärkesmatchning, den tar en annan bild och upprepar processen.

Efter tre framgångsrika jämförelser mellan bild och karta, LVS startar i ett läge som heter Fine Landmark Matching. Det är då systemet bryter ytan i lådor 410 fot (125 meter) tvärs över, skanna efter unika mönster och jämföra dem med kartan. LVS letar efter minst 20 matchningar under den där sekunden av att titta på en bild, men brukar göra mycket mer – upp till 150 – för att skapa en ännu mer exakt plot av Mars 2020:s bana.

"Varje gång ett lämpligt antal matchningar görs i en bild, i antingen Course eller Fine Landmark Matching, LVS uppdaterar var rymdfarkosten befinner sig i det ögonblicket, " sade Johnson. "Den uppdateringen matas sedan in i Safe Target Selection-systemet."

Denna andra del av det terrängrelativa navigationssystemet använder LVS:s positionslösning, beräknar var den kommer att landa och jämför den sedan med en annan karta ombord, den här som visar områden inom landningszonen förstods vara antingen bra för landning ... eller den typen med kratrar, klippsidor, stenblock eller stenfält. Om den ritade platsen inte är lämplig, Säkert målval kan förändra roverns öde, flytta sin landningspunkt med upp till 2, 000 fot (600 meter).

Sätt på prov

Medan Safe Target Selection-operationer kan undersökas i en datortestbädd inom ramen för JPL, att samla in optisk data, laget behövde ta sig längre bort:Mojaveöknen och Death Valley.

Under tre veckor i april och maj 2019, LVS flög 17 flygningar fästa vid fronten av en helikopter, ta och bearbeta bild efter bild över den Mars-liknande terrängen i Kelso Dunes, Hål i väggen, Lava Tube, Badwater, Panamint Valley och Mesquite Flat Dunes.

"Vi flög flyg efter flyg, imiterar rymdfarkostens nedstigningsprofil, ", sa Johnson. "I varje flygning utförde vi flera körningar. Varje körning imiterade i huvudsak en Mars-landning."

Allt som allt, motsvarande 659 Mars-landningar ägde rum under testflygningarna.

"Datan finns i—TRN fungerar, ", sa Chen. "Vilket är bra eftersom Jezero är där våra forskare vill vara. Och utan TRN, oddsen för framgångsrik landning på en bra plats för rover är cirka 85%. Med TRN, vi känner oss övertygade om att vi är uppe runt 99 %."

Men Chen är också snabb med att notera att Mars är svårt:Endast cirka 40 % av alla uppdrag som skickats till Mars – av någon rymdorganisation – har landat framgångsrikt.

"För att gå längre måste vi se till det förflutna, och i det avseendet vem är bättre än den första?" sa Chen. "I en intervju cirka 35 år efter Apollo 11, Neil Armstrong sa, 'Jag tror att vi försökte mycket för att inte vara översäkra. För när du blir övermodig, det är då något knäpper till och biter dig.'"

Medveten om det, Mars 2020 TRN-teamets arbete kommer att avslutas först den 18 februari, 2021, lite efter kl 12. PST (15:00 EST), när deras rover landar på Jezero Crater. Men det är också bara en början:Terrain-Relative Navigations autonoma precisionsvägledning kan visa sig vara avgörande för att landa människor på ett säkert sätt på både månen och Mars. TRN kan också vara användbar för att landa utrustning i flera fall före en mänsklig besättning på endera världen - eller andra att utforskas på vägen.

JPL bygger och kommer att hantera driften av Mars 2020-rovern för NASA Science Mission Directorate vid byråns högkvarter i Washington.