В центре управления Вэньчаня раздались аплодисменты. Все присутствующие были профессионалами и прекрасно понимали сложность этой мягкой посадки.
Проще говоря, американцы совершили 11 пилотируемых полётов на Луну, 6 из которых успешно доставили астронавтов на поверхность. А посадка на краю Южного полюса Луны — это было впервые в истории.
В конференц-зале Apollo Tech в Куньшане, где в это время был уже глубокий вечер по пекинскому времени, перед российскими экспертами на столе стояли чашки с кофе — без него было не выдержать.
Они всё ещё находились в Куньшане и ещё не переехали в Шанхай, потому что, во-первых, офисное здание в Шанхае ещё не освободили, а во-вторых, работы по обеспечению безопасности ещё не были завершены.
Поскольку деятельность Apollo Tech привлекала всё больше внимания, уровень безопасности постоянно повышался. На тот момент требовалось обеспечить абсолютную безопасность в радиусе двадцати километров вокруг офисной зоны.
Поэтому Apollo Tech планировала переехать только в конце этого года.
А Куньшань и Сучжоу с завистью взирали на ситуацию: мы с таким трудом вырастили единорога, а его снова забирает Шанхай.
Вернёмся в Apollo Tech. Российские эксперты, глядя на данные и видеоматериалы, переданные из Вэньчаня, просто онемели.
Они знали, что Apollo Tech сильна, но не до такой степени.
Обычно, когда кто-то впервые в истории совершает мягкую посадку на Южном полюсе Луны, он действует с максимальной осторожностью.
То есть, по логике, сначала автоматическая навигация, а в случае нештатной ситуации — удалённое вмешательство, и по мере накопления опыта с каждым запуском оптимизируется система автонавигации.
Это нормальная логика. Но у Apollo Tech она была ненормальной.
У них, конечно, тоже было удалённое вмешательство, но оно предназначалось не для того, чтобы обеспечить мягкую посадку У Гана 0001, а для того, чтобы гарантировать посадку на Южном полюсе Луны вообще — мягкая она или нет, не имело значения.
Либо полностью автоматическая мягкая посадка, либо удалённое вмешательство.
Важно было только одно — сесть на краю кратера Шеклтон на Южном полюсе Луны.
И они на самом деле своими глазами видели, как У Ган 0001 на всём протяжении выполнял мягкую посадку, совершая один сложный манёвр за другим, и благополучно приземлился на краю Шеклтона.
«Нет, это, безусловно, очень сложно. Весь процесс требует высокой точности навигации и наведения — от запуска до перехода на лунную траекторию, корректировки на полпути и выхода на лунную орбиту — всё должно быть безупречно.
Хотя китайские ракеты серии "Чанчжэн" обеспечивают точный вывод, на промежуточных этапах всё равно требуется вмешательство земного центра управления.
Что касается способности к коррекции на полпути, китайские аппараты "Чанъэ" демонстрировали такие возможности. Но для полностью автоматического режима нужна более высокая робастность».
Алексей и Александр были экспертами, прибывшими с делегацией.
Первый занимался расчётом траекторий при запуске ракет, второй участвовал в разработке систем связи.
Они переглянулись и начали тихо обсуждать.
После того как Алексей закончил, Александр добавил: «Я не говорю, что эти этапы не сложны. Я хочу сказать, что дальше сложность возрастает.
Такие манёвры, как выход на земную орбиту, переход на лунную траекторию, коррекция на полпути и выход на лунную орбиту, требуют точных вычислений.
Раньше точность вычислений китайской космической программы была на 80 баллов. Теперь профессор Линь и его команда просто подняли её до 90 или 95 баллов.
Здесь уже есть база, и с технической точки зрения есть множество решений — вопрос лишь в том, насколько теоретическое решение применимо на практике.
Профессор Линь, как мастер математики и специалист в космической отрасли, обладает бесспорным умением принимать решения. Он может выбрать лучший вариант для оптимизации существующих технологий.
Я считаю, что самая большая сложность — это именно снижение и посадка.
В этом процессе нет никакого опыта, на который можно было бы опереться, — ни у китайской космической программы, ни у NASA.
Южнополярный регион усеян горами и кратерами, а зоны вечной тени не видят света годами. Если вы используете систему визуальной навигации, то низкий угол солнечных лучей на краю создаёт серьёзные помехи.
Представьте себе: температура в теневых зонах Луны достигает минус 203 °C, а на освещённых участках — плюс 54 °C. На Земле крайне сложно найти подобные условия для тестирования.
Вот это самое сложное.
А что касается Lunar Node-1 от NASA, он существует только в теории — на практике в столь сложных условиях он был бы совершенно бесполезен!» — Александр покачивал головой, и на его лице было написано изумление и восхищение.
Все раньше были примерно на одном уровне — сдавали на 70 баллов. В лучшем случае в последние годы Китай, имея деньги, ресурсы и вложения, поднялся с 70 до 75, если говорить об общем уровне космической отрасли. И вдруг появляется уникум, который сдаёт на 95 баллов, оставляя далеко позади даже прежнего лидера — NASA с его 80 баллами.
Неудивительно, что российские эксперты были потрясены.
А упомянутый Александром проект Lunar Node-1 был предложен NASA. Он основан на радиосигналах и призван обеспечить точное позиционирование между посадочными аппаратами, наземной инфраструктурой и астронавтами, предоставляя навигационные услуги, чтобы они могли быстро определять своё местоположение относительно других аппаратов, наземных станций или передвижных роверов.
Эта система в основном используется для помощи лунным аппаратам в орбитальных манёврах и наведении при посадке на поверхность.
(На фото: лунный посадочный аппарат с датчиком сигнала Lunar Node-1)
Но при условии, что на Луне будет достаточно много передающих и принимающих модулей, которые, взаимодействуя друг с другом, смогут завершить построение этой системы.
Это часть инфраструктуры лунной навигации, которую США планируют создать на Луне.
«Представьте, что вы получаете подтверждение с маяка на берегу, к которому вы приближаетесь, а не ждёте вестей из порта, который покинули несколько дней назад», — сказал в интервью главный исследователь проекта, инженер по навигационным системам из Центра космических полётов имени Маршалла NASA в Хантсвилле, штат Алабама, Эван Анзалон. «Мы стремимся создать лунную сеть маяков, которая обеспечит устойчивую локальную навигацию, позволяя лунным кораблям и наземному персоналу быстро и точно определять своё местоположение, не полагаясь на земной центр управления».
Разумеется, эта система пока ещё только на Земле и ещё не добралась до Луны.
Если бы Линь Жань всё ещё работал в NASA, он бы использовал «Врата», построил небольшие сенсоры и просто сбросил их на Луну — система была бы готова. Зачем столько сложностей?
Что касается системы NASA — во-первых, она пока только на Земле, во-вторых, им сначала нужно доставить оборудование на край Южного полюса. Они даже первого шага не сделали, так что об успехе говорить рано.
Поэтому российские эксперты и сочли эту затею бесперспективной теорией.
А то, что они видели сейчас, — система автонавигации Apollo Tech напрямую осуществила самую сложную мягкую посадку на край Южного полюса.
Всем было интересно, как им это удалось.
Валентин не был исключением. Он чувствовал, как эксперты, которых он привёз, перешёптываются и горят желанием узнать. Он спросил: «Профессор, это поистине выдающееся достижение. Apollo Tech снова сотворила чудо. Позвольте мне выразить вам искренние поздравления».
Комплимент Валентина был искренним — и потому, что он был по-настоящему впечатлён увиденным, и потому, что достижения Apollo Tech не вызывали сомнений.
Когда тебя хвалят за поступление в лучший вуз — это одно, а когда хвалят за поступление в техникум — даже если хвалят искренне, второй комплимент звучит как насмешка.
«Но, профессор, не могли бы вы объяснить нам, как вам это удалось?» — спросил Валентин. «Нам всем очень интересно».
Линь Жань подумал и сказал: «Что касается этого вопроса, мы использовали слишком много технических инноваций.
Я перечислю несколько аспектов, которые, как мне кажется, будут вам интересны.
В основном я расскажу о том, какие инновации мы внедрили в область алгоритмов для повышения общей точности навигации.
Мы применили свёрточные нейронные сети для относительной навигации по лунному рельефу, чтобы обнаруживать кратеры на визуальном уровне.
Относительная навигация по рельефу позволяет повысить точность оценки положения космического аппарата путём обнаружения глобальных особенностей, которые служат дополнительными измерениями для коррекции дрейфа в инерциальной навигационной системе.
В основном мы использовали свёрточные нейронные сети и методы обработки изображений, чтобы построить алгоритм, который отслеживает положение моделируемого космического аппарата с помощью расширенного фильтра Калмана.
Это позволяет визуально обнаруживать кратеры в кадрах смоделированной камеры и сопоставлять эти обнаружения с известными лунными кратерами в зоне предполагаемого местоположения аппарата.
Эти сопоставленные кратеры рассматриваются как признаки, отслеживаемые с помощью свёрточной нейронной сети.
В результате эта система обеспечивает более надёжное отслеживание положения при изменениях яркости изображения и позволяет более последовательно обнаруживать кратеры кадр за кадром на всей траектории.
При тестировании на траектории с использованием стандартных изображений яркости по сравнению с фильтром Калмана, использующим методы обнаружения кратеров на основе обработки изображений, новый метод снизил среднюю ошибку финальной оценки положения на 90% и среднюю ошибку финальной оценки скорости на 50%.
Ах да, этот метод можно найти в статье, принятой на конференции по управлению в США в 2020 году. Мы внесли в него небольшие улучшения.
С помощью этого алгоритма мы гарантируем обнаружение кратеров и валунов и находим ровную поверхность».
Более расторопные российские эксперты уже начали искать в своих ноутбуках.
«На уровне сенсоров мы сотрудничаем с отечественными технологическими компаниями, имеющими богатый опыт. Мы объединяем данные лидаров, камер и инерциальных измерительных модулей, используя алгоритмы фильтрации частиц и фильтра Калмана для интеграции многоканальных данных, чтобы уменьшить ошибки отдельных датчиков.
Ладно, я поясню попроще. Здесь, в основном, используется решение для навигации лунного посадочного аппарата на основе метода Terrain Relative Navigation.
Мы разработали алгоритм в масштабированной среде, моделирующей лунную поверхность, и построили на этом фоне трёхосевую подвижную платформу для воспроизведения траектории посадки.
На конце трёхосевой подвижной платформы установлены дальномерные и ближние инфракрасные датчики для измерения высоты.
Как мы знаем, калибровка датчиков расстояния имеет решающее значение для получения точных измерений.
Для этого мы откалибровали датчики, оптимизируя нелинейные передаточные функции и функции смещения с помощью метода наименьших квадратов.
Таким образом, ковариация датчиков аппроксимируется квадратичной функцией расстояния.
Эти два датчика имеют два разных рабочих диапазона, которые частично перекрываются на небольшом участке.
Для достижения оптимальной производительности в зоне перекрытия была разработана стратегия переключения.
После оценки стратегии переключения была найдена единая функция ошибки для модели расстояния.
Поскольку температурные отклонения на краю кратера весьма значительны из-за различных факторов окружающей среды, мы оценили дрейф смещения обоих датчиков и учли его в алгоритме.
Чтобы отразить информацию о лунной поверхности в навигационном алгоритме, мы использовали цифровую модель рельефа моделируемой лунной поверхности.
Навигационный алгоритм был разработан как расширенный фильтр Калмана, который использует измерения высоты, цифровую модель рельефа и измерения ускорения от подвижной системы координат.
Цель навигационного алгоритма — оценить положение моделируемого космического аппарата при посадке с высоты 3 км до точки посадки возле края кратера.
Алгоритм постоянно обновляется в процессе посадки, для чего мы специально разработали детектор пиков кратеров, чтобы сбрасывать навигационный фильтр, используя новый вектор состояния и новую ковариацию состояния».
Все слушали очень внимательно.
Тем временем Алексей уже нашёл ту статью Американского общества управления, которую упомянул Линь Жань. Александр взглянул на аннотацию и через мгновение тихо произнёс: «Гениально!»
Алексей не стал спрашивать, что именно было гениальным.
Потому что в той статье в аннотации говорилось о снижении средней ошибки финальной оценки положения на 60% и средней ошибки финальной оценки скорости на 25%, а у Линя Жаня, после «небольших улучшений» этого метода, ошибка снизилась на 90%.
Два российских эксперта ломали голову, пытаясь понять, как китайцы смогли добиться такого «небольшого улучшения».
«Что касается точности посадки, вы все знаете, что нашей конечной целью было добиться, чтобы расстояние между топливным модулем и пилотируемым модулем не превышало 200 метров.
В том числе и при этой посадке, как вы, наверное, заметили, отклонение между нашей целевой точкой и фактической не должно превышать 20 метров.
В пределе мы можем достичь даже большей точности.
Каждая посадка осуществляется на соседних позициях, чтобы строительство лунной базы максимально использовало существующие ресурсы, и каждый космический аппарат, доставленный на Луну, был полезен.
Это тоже основано на работах предшественников.
Первоначально эта идея восходит к работе Капуано 2015 года. Они исследовали приёмники сигналов глобальной навигационной системы на основе кодового уровня для обеспечения точности посадки на всей лунной орбите. В том исследовании они достигли точности в 700 метров.
То есть использование сигналов наземных навигационных систем для поддержки лунных миссий — вы, наверное, слышали об этом, ведь в 2021 году Европейское космическое агентство разрабатывало GNSS-приёмники, которые планировалось использовать на аппарате ESA-SSTL Lunar Pathfinder для снижения точности до 100 метров.
Тогда вы ещё не рассорились с Европой, и они, вероятно, держали вас в курсе многих своих проектов».
GNSS — Global Navigation Satellite System, то есть глобальные навигационные спутниковые системы: GPS, российская ГЛОНАСС, европейская Galileo, китайская Beidou — все они относятся к этой категории.
Присутствовавшие российские эксперты чувствовали себя немного неловко.
Что значит «рассорились»? Мы просто временно приостановили сотрудничество, скоро оно возобновится.
Эти российские эксперты в душе всё ещё надеялись на интеграцию с Европой — это было и в характере русских, и в том, что они в прошлом активно сотрудничали с европейскими коллегами. У кого из них не было друзей среди европейских специалистов?
Линь Жань, не обращая внимания на выражение их лиц, продолжил: «Впоследствии появились работы о том, что для наведения лунных аппаратов на Луну требуется информация о точном положении и скорости в реальном времени, особенно на этапе сближения и торможения. Навигационная информация поступает от наземных станций слежения, включая S-диапазон, доплеровские системы и наземный радиоинтерферометр со сверхдлинной базой. Китайские специалисты в серии "Чанъэ-5" предложили метод интеллектуальной интеграции гетерогенных сенсорных данных для навигации при снижении лунных аппаратов и достигли точности позиционирования в несколько километров.
Apollo Tech, опираясь на мудрость предшественников, построила систему автономной навигации при посадке лунных аппаратов, используя измерения градиента силы тяжести на этапе сближения.
Когда космический аппарат приближается к Луне, интенсивность сигнала градиента силы тяжести возрастает.
Гравитационный градиентометр на борту аппарата может точно измерять локальный градиент силы тяжести и использовать новейшие модели лунного гравитационного поля для получения эталонных значений.
По мере снижения аппарата степень и порядок усечения модели гравитационного поля постепенно увеличиваются, чтобы обеспечить баланс между вычислительными затратами и точностью модели.
Мы разработали итеративный фильтр Калмана для совместной оценки орбиты и ориентации, используя измерения градиента силы тяжести и кватернионы ориентации, полученные от звёздных датчиков.
При этом учитывался уровень шума градиентометра.
Перед этим запуском мы провели симуляцию, результаты которой показали, что положение космического аппарата быстро сходится и на последнем этапе, то есть в процессе посадки, достигает точности менее 10 метров».
В зале поднялся гул.
Точность в 100 метров, упомянутая Линь Жанем, была орбитальной точностью.
А финальная точность посадки — в китайской программе она составляла несколько километров.
Нет, орбитальная точность — несколько километров, а у вас она стала десять метров. Это слишком большой скачок.
Никто не мог этого понять.
И что ещё более поразительно — вы говорите о 10 метрах в симуляции.
Но симуляция — это симуляция, а реальная посадка — это реальность.
А вы в реальности добились результата менее 100 метров.
Как вы это сделали?
И хотя Линь Жань объяснял довольно подробно — для посторонних этого было более чем достаточно, — но не настолько подробно, чтобы они могли это повторить.
Валентин знал, что не должен был спрашивать, что с любой точки зрения было бы бестактно, но он не удержался: «Профессор, не могли бы вы рассказать нам, как именно был разработан ваш алгоритм?»
Линь Жань изменился в лице: «Разумеется, нет!
Я уже рассказал вам нашу технологическую траекторию, объяснил, на что мы опирались, какие статьи использовали, а также основную идею нашего алгоритма — градиент силы тяжести.
Дальше спрашивать было бы невежливо!»
Валентин тут же извинился: «Прошу прощения, я был бестактен. Профессор, пожалуйста, простите мою бестактность, но то, что вы сделали, — это настолько, настолько невероятно.
Мы никогда не видели такого огромного технологического скачка».

Комментарии

Загрузка...