Через семь лет, в апреле 2031 года, космический аппарат ЕКА Juice пролетит мимо луны Юпитера Каллисто и предложит ученым взглянуть на загадочный, покрытый кратерами инопланетный мир.
Казалось бы, до этого еще далеко, но в мире эксплуатации космических аппаратов никогда не бывает слишком рано начинать подготовку. Недавно сотрудники центра ESA ESOC в Германии "обманули" инженерную модель Juice, заставив ее думать, что она уже находится на Каллисто, чтобы проверить автономное навигационное программное обеспечение.
Почему это было необходимо?
Когда Juice прибудет на Каллисто, большая задержка связи между Землей и системой Юпитера будет означать, что он не сможет дождаться ответа от управления миссией, если что-то пойдет не так. Хотя хорошо известно, где будет находиться Каллисто в апреле 2031 года, нет гарантии, что траектория движения Juice пройдет через гравитационное поле Каллисто именно так, как нужно, чтобы идеально выровнять его для высокоточных научных измерений.
За время, необходимое для отправки и получения сообщений между Юпитером и Землей, направление, в котором Juice направляет свои приборы дистанционного зондирования, может отклониться от курса настолько, что научные исследования могут быть пропущены, а ключевые цели миссии — нарушены.
Даже крошечное расхождение может оказаться губительным для науки, поскольку для проведения измерений некоторые приборы Juice должны быть направлены на определенные области Каллисто с точностью до доли градуса.
"Нам нужно, чтобы Juice мог реагировать собственными "глазами" и собственным "мозгом", — говорит Игнасио Танко, руководитель полета Juice. "Когда Каллисто появится в поле зрения его навигационной камеры, он должен быть способен определить важные особенности на поверхности Луны, повернуться, чтобы направить на них свои приборы, а затем продолжить вращение, чтобы держать их в поле зрения, пока он пролетает мимо".
Что было сделано?
Для подготовки к важным мероприятиям, а также для диагностики и решения проблем, с которыми сталкиваются космические аппараты, находящиеся на расстоянии миллионов километров, они используют единственную в своем роде копию, которая остается на Земле. Эта "инженерная модель" представляет собой точную копию аппаратного и программного обеспечения, электрических систем и приборов, которые отправляются в дальний космос.
Команда Juice использовала свою инженерную модель для тестирования автономного навигационного программного обеспечения, которое будет удерживать Juice на пути к системе Юпитера.
Они "обманули" его, заставив поверить, что он находится на Каллисто, спроецировав серию изображений луны на точную копию навигационной камеры космического аппарата, чтобы посмотреть, как она отреагирует.
Эти изображения высокого разрешения, созданные с помощью компьютерной модели, изображали Каллисто именно в той ориентации и в той фазе, в которой Juice увидит ее, когда прилетит через семь лет.
"Это было не так просто — заранее подготовить изображения и проиграть видео перед навигационной камерой", — говорит Джулио Пинцан, инженер по эксплуатации космических аппаратов ЕКА, который руководил этой работой.
"Навигационное программное обеспечение должно было реагировать на эти изображения. Если оно замечало, что приближается к Каллисто под неправильным углом или направлено немного не в ту сторону, оно должно было попытаться исправить эти ошибки без нашей помощи".
"Это означало, что вид Каллисто должен был реагировать на действия космического корабля в режиме реального времени. Мы фактически пристегнули к камере Juice гарнитуру виртуальной реальности и позволили ей самостоятельно перемещаться в этом виртуальном пространстве".
Инженерные модели используются для проверки маневров космических аппаратов, а также для диагностики и решения любых проблем, с которыми сталкивается летная модель за миллионы километров.
Как все прошло?
Команды из ЕКА и производителя Juice, компании Airbus, выделили три дня на испытание пролета Каллисто. Операторы космических аппаратов, ученые, инженеры-механики, инженеры-электрики и инженеры-программисты должны были провести несколько дней, сталкиваясь с проблемами и решая их, прежде чем, наконец, добиться чистого пролета, в котором Juice реагировал именно так, как они хотели.
Чтобы сделать это испытание еще более сложным, у них не было доступа к одному из самых важных инструментов в наборе инструментов для работы с космическими аппаратами. Обычно перед тем, как провести такой сложный тест на физической инженерной модели космического аппарата, его сначала проводят на полностью цифровом программном симуляторе космического аппарата, не имеющем физических частей.
Именно здесь возникает и решается большинство проблем, а тесты на физической инженерной модели проводятся только тогда, когда операторы уже хорошо представляют себе, чего ожидать.
"Но этот сценарий настолько сложен, что в настоящее время его невозможно смоделировать с помощью программного симулятора Juice", — говорит Джулио Пинцан. "Мы шли на это испытание совершенно вслепую".
И все же, несмотря на все ожидания, команда добилась успеха с первой же попытки в первый день. Навигационное программное обеспечение Juice закрепилось за нужными областями Каллисто, приборы были направлены прямо на них и надежно сохраняли правильную траекторию во время сложного пролета.
"Мы должны похвалить нашу команду по динамике полета, в частности", — говорит Джулио. "Их математические расчеты были точными и позволили нам совершить чистый пролет с первой же попытки, несмотря на отсутствие опыта, который они обычно получают, экспериментируя с программным симулятором. Это было удивительно, правда. Они удивили даже нас".
"Команда Airbus также проделала замечательную работу по созданию инженерной модели к началу испытаний и одновременно предоставила нам все детали, необходимые для правильной работы автономной навигационной системы".
Что будет дальше?
Облет Каллисто — один из самых сложных сценариев, с которыми столкнется Juice, и один из самых сложных для настройки и проведения с инженерной моделью.
Модель была перевезена из Airbus во Франции в ESOC в Германии в феврале. После успешного завершения этого финального испытания модель полностью настроена, команды ESA полностью обучены работе с ней, и она официально передана.
Теперь команде Juice необходимо подтвердить, что летная модель ведет себя точно так же, как и инженерная, проведя аналогичное испытание в космосе. Однако единственная возможность проследить за крупным объектом с помощью навигационной камеры Juice появится во время пролетов планет.
Предстоящая гравитационная помощь Луны и Земли в августе этого года не подходит для этого испытания. Во время этого двойного пролета Juice пролетит мимо Луны, а затем мимо Земли менее чем через 24 часа, чтобы взять энергию у обоих тел в быстрой последовательности. Это очень деликатный маневр, который еще никогда не пытались осуществить, и все специалисты должны быть готовы мгновенно отреагировать на любую аномалию.
