U nastavku moje kvazi-kampanje UPOZNAJMO KOSMIČKE KAMERE, danas ću da kažem neku reč o Mastcamu-Z, sledećoj kameri koja će 2020. biti poslata na roveru na Mars. Ovo je retka prilika da se upoznamo sa poslovima koji se odvijaju 'iza' kamere i vidimo kako se planira i sprovodi tako komplikovana obaveza kao što je snimanje kamerom u boji na Marsu.
Kolor stereo-kamere kakve treba da odlete na Mars. Trenutno su procene da će biti teške 4,0 kg, ukupno 4,5 kg sa marginom >10%. Primeti \( u prvom planu.
I pored vrhunske elektronike, kamere su ništa bez ljudi.
Tim koji će se starati o njihovom radu i podacima koje će slati na Zemlju čini Glavni naučnik, ili kako već prevesti Principal Investigator (PI), njegov zamenik, Deputy PI (DPI), 21 naučni savetnik, tzv. Co-Investigatori, sa fakulteta, kompanija i vladinih laboratorija iz SAD i 6 drugih država, nekoliko desetina nediplomiranih i diplomiranih studenata, menadžera, administrativaca i tehničke podrške koji tesno sarađuju sa PI, DPI i/ili pojedinim Co-I. U tim su uključeni i naučnici koji su izvršili intenzivne geološke studije ovde na Zemlji, dok su drugi fokusirani na radove koji se tiču Marsa, i koji će znati šta raditi a šta ne raditi kada rover (i kamere) stignu na Mars. Neki članovi naučnog tima umeju da pišu softver, neki kreiraju stereo mape, operišu kamerama, a drugi su sposobni da organizuju i rukovode timom tako radovi teku kako treba i na vreme. Svaki od njih nosi svoj entuzijazam za istraživanje Marsa, kao i svoju radoznalost, posvećenost i kreativne ideje okrenute ka nauci i rešavanju problema. Sve to čini veličinu ovog tima. Ne treba zaboraviti da je ovo samo jedan od desetak timova koji će pratiti misiju 'Mars 2020', a da će rover imati – drž' se da ne padneš na dupe – ukupno 23 kamere!
Članovi Mastcam-Z tima. Ovaj što kleči na sredini slike je Jim Bell, PI, sa Državnog univerziteta Arizona.
Kamere Mastcam-Z će moći da snimaju slike Marsovog pejzaža i samog rovera tehnikom kao da se gleda jednom okom ('monoskopske') i kao da se gleda sa oba oka ('stereoskopske'). Bazirane su na Mastcamu rovera 'Curiosity', s tim što su novim dodata zoom-sočiva. To će značiti da će na svakoj novoj slici biti moguće izbalansirati koji deo i koliku površinu treba uhvatiti u jednom kadru. To će biti moguće i sa levim i sa desnim okom, bukvalno dajući novu dimenziju (dubinu!) roverovom načinu gledanja.
Dizajn Mastcama-Z ('Z' je od Zoom) od prošle godine. Turela instrumenta će biti drugačija od 'Curiosityjeve'. Z će imati zoom-mehanizam sa dve grupe sočiva na klizačima unutar turele koji će omogućavati uvećanje do 3:1.
Tehničke mogućnosti instrumenta su jedno, ali pre nego što slete na Mars naučnici moraju da detaljno razrade šta će se tačno raditi kada stignu tamo, kako će se praviti slike, i kako ukupno sprovoditi naučnu misiju. Sve to se naziva 'mission operation', ali se to u stručnoj literaturi jednostavno pojavljuje pod skraćenicom 'ops'.
Od samog početka planiranja misije iskristalisalo se nekoliko krucijalnih pitanja:
- Kako kontrolisati rover koji je milionima kilometara udaljen[1], sa timom od više stotina naučnika i članova tehničke podrške rasutim svuda po svetu, u najmanje osam vremenskih zona?
- Kako izvesti da brojni naučnici i inženjeri rade sa istim podacima koji stižu sa Marsa, u isto vreme?
- Kako razviti alate koji će omogućavati naučnicima i inženjerima da efikasno komuniciraju i zajedno donose odluke u realnom vremenu?
- Kako im obezbediti neophodne treninge za korišćenje tih alata?
- Kako obezbediti dogovaranje u realnom vremenu prema jedinstvenom naučnom planu za svaki sol (Marsov dan se naziva 'sol').
- Kako biti siguran da plan zadovoljava sve mogućnosti rovera i ne predstavlja rizik za dragoceno vozilo ili instrumente?
Kada su smislili odgovore na sva navedena pitanja, tim se opremio adekvatnim računarima i dovoljnom količinom memorije na diskovima, funkcionalnim softverskim alatkama, i korak-po-korak procedurama koje će biti neophodne za funkcionisanje na Marsu. Bilo je potrebno svakog člana tima obučiti i izvršiti testiranja, testiranja i još testiranja da bi svi alati i oprema besprekorno radili svoj posao. Takođe je bilo potrebno naučiti kako raditi zajedno uprkos različitim oblastima ekspertiza.
Taktičko operativno planiranje za 'Mars 2020' jeste komplikovan i detaljan proces koji se završava stotinama komandi koje će biti slate roveru skoro svakog narednog našeg dana. U tome neće biti nikakve razlike u odnosu na prethodne misije Nasinih rovera. Ali tim 'Marsa 2020' je suočen sa novim izazovom: sve to moraju da završe za samo pet sati rada! Nijedna prethodna misija rovera nije imala takav plan rada. Kada je 'Curiosity' sleteo na površinu, trebalo je 16 sati da bi se naporavio plan za prvi sol. Planiranje je vremenom postajalo sve efikasnije, ali još uvek je oduzimalo 8 ili 9 sati. Zašto se sada zahteva 5-časovno planiranje?
Glavni razlog je u tome što će misija 'Mars 2020' pokušati da izbegne neefikasnost nametnutu 'ograničenim solovima'. Da objasnim: Marsov dan je duži od našeg za 40 minuta. Kada rover svakog popodneva završi radni dan i pošalje 'zipovane' foldere na Zemlju (to se zove 'dawnlink data'), to je otprilike uvek tokom istog perioda Marsovog sola, ali downlink stiže na Zemlju uvek sve kasnije i kasnije. Ako se drže toga, naučnici uskoro počinju da rade noću a spavaju danju. To se zove rad po Marsovom vremenu. Sve dosadašnje misije na Mars su počinjale da rade po Marsovom satu makar tri meseca pred ateriranje, što je jako teško za ljude koji imaju svoj život i familije, i pokazalo se kao neodrživo na duži period.
Posle sletanja, misije su se prevacivale na 'zemaljsko vreme', pa se dešavalo da nekoliko dana tokom meseca kontrolori ne dobijaju jučerašnji downlink da bi mogli da naprave plan rada za naredni sol. U takvim situacijama, naučnici i tehničari imaju na raspolaganju jedino dva dana stare podatke na osnovu kojih treba da donesu odluke. To zovemo 'ograničenim solovima'. U pojedinim slučajevima, to može da odloži radove na Marsu za čitav jedan sol. Kako se ti ograničeni solovi nakupljaju, oni mogu značajno da uspore misiju[2].
Ako inženjeri uspeju da napreva planove rada dovoljno brzo i prihvate malo širi raspon radnih sati u dnevnom rasporedu, moguće je izbeći ograničene solove. Što se tiče misije 'Mars 2020', rukovodeći tim je odlučio da im radni dan započinje u 6 sati ujutro i traje do 11 sati po pacifičkom vremenu[3]. Unutar ovog ograničenja, ako uspeju da produže rad za pet sati, biće moguće svakodnevno downlinkovati sveže podatke, nikad je ulazivši u ograničene solove.
Što se tiče operativnog softvera, programeri su radili na njemu preko 4 godine. Npr, Laboratorija za mlazni pogon (JPL) je napravila alat nazvan ASTTRO (Advanced Strategic and Tactical Targeting Tool for Remote Operations), koji neće biti korišćen samo za vizuelizaciju: korisnici, poput članova naučnog tima i roverovi vozači, upotrebljavaće ga da bi uz pomoć ostalih delova tima utvrđivali buduće naučne ciljeve rovera. Potom će PUL inženjeri ('Payload Uplink Lead') moći da pregledaju ciljeve koje sugeriše ASTTRO i da pristupe pisanju detaljnih komandnih sekvenci za instrumente koje će kasnije biti poslate roveru.
Petočasovno operativno radno vreme predstavlja ogroman pritisak na timove koji rukovode radom instrumenata da rade brže ali bez žrtvovanja kvaliteta rada. U tih pet sati, kamera-tim mora da definiše, napiše, proveri, testira i uplinkuje sve komande. Najčešće, tim nikad više ne dobija šansu da pravi slike sa Marsa, tako da uvek moraju da budu spremni. Svakodnevno. Na kraju, potreban je i jedan poseban vrlo specijalizovan alat koji će predstavljati komandni i vizuelni interfejs sa programom ASTTRO – taj alat je nazvan Viewpoint.
Viewpoint će moći da čita i prikazuje sve fotografije koje su prethodni roveri do sada napravili na Marsu, kao i slike mesta sletanja koje je napravio orbiter HiRISE i pređene puteve koje je snimio 'Mars Reconnaissance Orbiter'. Kombinujući slike sa površine i sa orbite, softverski program će omogućiti virtuelno kretanje rovera i okolnog pejzaža u različitim perspektivama, što će omogućiti svakom od nas da prati kod kuće na Google Marsu. Postojaće i 'overhead view', pogled ogozgo, koji će koristiti podatke sa orbitera MRO i omogućiti da odozgo posmatramo Marsov rover u pejzažu, što će nam svima pružati odličan uvid u to gde se rover trenutno nalazi i gde će biti sledećih dana. Takođe će postojati i 'street view', pogled na okolinu onako kako ga vidi sâm rover. Viewpoint već koriste inženjeri iz misija 'Curiosity' i 'Opportunity' i svi kažu da je bez njega slika Marsa prosto nemoguća.
Primer jednog 'screen shota' Viewpointa tokom sesije planiranja kretanja rovera 'Curiosity'. Označen je mozaik Marscama.
Sa alatkom Viewpoint je moguće lako brzo i precizno dodati nove kadrove (slike lokacije) i napraviti buduće mozaike okolnog pejzaža. Takođe je moguće vizuelizovati roverov hardver onako kako bi ga videla Mastcam-Z da bi se proverilo da li taj hardver pokriva ono što bi kamere želele da snime. Naprimer, biće moguće proveriti da li robotska ruda delimično ili potpuno prektiva naučne mete koje bi kamera-tim želeo da snimi.Uz to, biće moguće u svakom trenutku vizuelizovati senke koje rover baca u bilo koje doba dana. Naučnici obično najviše vole slike napravljene ili u podne ili sa puno senki, jer one pomažu boljoj naučnoj analizi slika.
Da kažem nešto o samim kamerama.
U prospektu Mastcam-Z piše da je to multispektralni, stereoskopski imidžing instrument baziran na znanjim glavnih kamera Nasinog rovera 'Curiosity'.
Mastcam-Z vuče poreklo od 'Curiosityjeve' verzije Mascama. Zbog prebacivanja sa fiksiranog fokusa na zum, jedino je optika zahtevala veće modifikacije, Celokupna glava kamere sa elektronikom, detektorom i interfejsima identični su. Točak filtera je pretrpeo male izmene u rasporedu, i biće četvrtasti a ne okrugli. Male izmene su i u grajačima...
 |
 |
Kvalitet slike kamera je sličan onom sa kamera od 2 megapiksela.
Sa svoje pozicije na dva metra visokom jarbolu (na engl. to je 'Mast', ali ne onaj u koji muški slonovi zapadaju kada ih uhvati seksualni zanos), kamere Mastcam-Z će praviti stereo panoramske slike Marsove površine u vidljivoj svetlosti i rezoluciji koja može da vidi predmete veličine ~1 mm na udaljenosti dosega robotske ruke i ~3-4 cm na oko 100 metara. Da bi obezbedile stereo snimke, kamere će biti udaljene 24,2 cm. Mastcam-Z poseduju 11 filtera (400 do 1000 nm) uz čiju pomoć će razlikovati različite materijaliei omogućiti uvid u mineralogiju silikata, oksida, oksihidroksida i sl. Mastcam-Z će moći direktno da slika Sunce koristeći par solarnih filtera.
Mastcam-Z ima sposobnost da zumira, fokusira, slika velikom brzinom (4 kadra u sekundi) i stornira veliku količinu informacija u internu memoriju. Te sposobnosti će omogućiti istraživačima da posmatraju objekte koji su zapravo van dometa rovera. Kamere će snimati vremenske fenomene kao što su kretanja oblaka, peščani vrtlozi i astronomski fenomeni, kao i sve aktivnosti vezane za vožnju, uzimanje uzoraka i sl. Mastcam-Z je znatno unapredila svoje stereo mogućnosti u poređenju sa 'Curiosityjevom' Mastcam i kamerama Pancam prethodnih rovera. Mastcam-Z će pružati bitnu prednost u navigaciji, vožnji i uzimanju uzoraka novog rovera.
|
Karakteristike instrumenta |
|
|
Veličina piksela (IFOV) |
~ 0.5 mm/pix do ~0.15 mm/pix na 2 m |
|
Raspon fokusa |
1 meters to infinity for 28-50 mm f.l. |
|
SNR |
30:1 najgori slučaj, >100:1 tipično |
|
Raspon talasnih dužina |
400-1000 nm |
|
MTF |
> 0.2 at Nyquist (kamera sistem) |
|
Focal length |
28-100 mm Zoom range |
|
Focal ratio |
f/8 at wide zoom; f/10 at narrow zoom |
|
FOV (1600x1200) |
23°x18° (široko) to 6°x5° (usko) |
|
Tip |
All-refractive, athermalized |
|
Detektor |
Truesense (Kodak) KAI-2020 CM |
|
Pixel pitch |
7.4 mikrona |
|
Command & Data |
Synchronous LVDS: 8 Mbit/sec (Data) |
|
Digitizacija |
11 bits/pixel; single gain, no offset states |
|
Kompresija |
Lossless ~1.7:1; Lossy JPEG color or |
|
Memoria |
256 Mbytes SDRAM 8 Gbyte flash image |
|
Snaga |
11.8 Watts imaging, per camera |
|
Arhitektura Elektronike |
Actel FPGA in camera head, |
|
Dimenzije: |
11x12x26 cm (camera head, per unit) |
|
Težina: 2 glave kamere, |
4.0 kg current best estimate, total |
Treba da podsetim da je svaka izgradnja instrumenata za kosmičke misije slična trčanju maratona – to je dug put, duž kojeg ima mnogo malih etapnih pobeda koje pomažu u dizanju samopouzdanja koje dovodi do konačnog cilja. Jedna od bitnih etapnih pobeda izvojevana je baš nedavno: konstruktori iz kompanije 'Malin Space Science Systems' iz San Dijega sastavili su konačno prvi probni model kamere, nazvan EQM (Engeneering Qualification Model), što je bila prilika da se konačno vidi kako će stvarno da izgleda Mastcam-Z.
Mastcam-Z EQM je prva verzija zum-kamere za rover 'Mars 2020'. Žice i kablovi još nisu kompletirani pa model pomalo liči kao improvizacija ali – radi.
Ovo nije kamera koja bi bila u stanju da poleti u kosmos, ali je napravljena od istih komponenti, od istih materijala, sa istim tolerancijama kao i ona koja će krenuti sa roverom 'Mars 2020'. Tokom daljih testiranja, stručnjaci će podvrgnuti EQM istim stresovima i istim zahtevima koji se očekuju od letne verzije kamere. Oni su želeli da provere da li EQM zum-optika ima pravu rezoluciju i kontraste i da li zum i fokus rade glatko i neometano duž čitavog planiranog raspona kretanja. Bilo je potrebno proveriti da li osetljiva optika i pipava elektronika mogu da izdrže opterećenja i vibracije neizbežne tokom lansiranja i sletanja. Takođe je bilo neophodno testirati izdržljivost na pun raspon (pa i više) temperatura i pritisaka koji se očekuju na Marsu, kao i proći kroz bezbrojne temperaturne cikluse koji čekaju misiju 'Mars 2020'.
Ali da li će instrument moći da pravi fotografije zadatog optičkog kvaliteta, kroz čitav raspon mogućeg zumiranja? Odgovor je na kraju pozitivan! Sledi prva fotografija napravljena u laboratoriji, pod normalnom sobnom temperaturom i pritiskom, a na slici je mustra za testiranje, dizajnirana da potvrdi kvalitet i kontrast slike.
JPEG verzija slike 'First Light' načinjene probnom kamerom kakva treba da se nađe i u misiji.
Detaljna analiza podataka vezanih za kameru tek predstoji, ali preliminarni rezultati pokazuju da je usvojeni dizajn dao očekivani kvalitet i rezoluciju. Što je najvažnije, zum radi savršeno, što potvrđuju prve slike napravljene u čitavom rasponu zuma.
Animacija pokazuje rad zuma da seriji fotografija načinjenih van labioratorije 'Malin SSS Inc.' u San Dijegu.
Za sada bi to bilo to. Ako se ništa ne promeni, lansiranje 'Atlasa V' (541) se očekuje u julu 2020. godine. Uvek kad su slične misije u pitanju treba se setiti da su npr. za ovu misiju naučni teret i aparati odabrani tokom leta 2014, što znači da će sve što padne na pamet naučnicima kasnije morati da sačeka sledeću misiju.
Trenutne procene su da će misija + raketa koštati oko \)2,1 milijardu. Prethodna misija sa roverom koštala je $2,5 milijarde. Mnogi delovi sa 'starog' rovera iskorišćeni su za novi, čime je ušteđeno dosta para. Kuriozitet je da je na konkursu za roverove instrumente predstavljeno skoro 60 ideja, a da se JPL opredelio za jednu konfiguraciju tek 2014.
Stručnjaci tokom testiranja Mastcama-Z.
Ko bi rekao da će ovaj baja biti glavni za snimanje Marsa u sledećoj deceniji. Zove se Jim Bell.
[1] Prosečno, Mars je udaljen oko 230 miliona kilometara od Zemlje. Trenutno: 188 mil. km.
[2] Prošle nedelje, Marsov rover 'Opportunity' je 'proslavio' 5000 solova na Marsu! Kada je startovao, NASA je bila srećna da misija traje 90 solova.
[3] Naravno, ovo se odnosi samo na kamermane. Rover radi praktično non-stop. Ko je čitao moje ranije textove o roverima zna da se neka naučna ispitivanja kamenja vrše laserom i to noću (!), a da naučne laboratorije vrše pojedine sekvence danima bez prestanka.
, 
KOJI TELESKOP DA KUPIM?
