火星科学研究所を赤い惑星に到達させることは、ローバーをアトラスVロケットに取り付けて火星の一般的な方向に爆破するほど簡単ではありません。宇宙船の航法は非常に正確で一定の科学であり、最も簡単に言えば、宇宙船が常にどこにあるかを決定し、それを希望の目的地への進路に保つことを伴います。
また、MSLナビゲーションチームチーフのTomas Martin-Mur氏は、好奇心探査機を火星に正確に到達させる唯一の方法は、宇宙船が常に地球のバックミラーを見るようにすることです。
「私たちがしていることは、Deep Space Networkからのデータを使用して宇宙船を「ドライブ」することです」とMartin–MurはSpace Magazineに語った。 「あなたがそれについて考えるならば、我々は火星を見ることはありません。火星を感知するための光学ナビゲーションカメラやその他の機器はありません。地球を振り返りながら、私たちは火星に向かっています。地球からの測定により、非常に高い精度で火星に到達することができます。」
MSLは新しい進入、降下、着陸誘導システムを使用しているため、この高い精度は非常に重要です。これにより、宇宙船は以前の着陸機や探査機よりも正確に着陸できます。
「それは非常に困難であり、火星探査ローバー（MER）ミッションで以前に行ったものと似ていますが、今回はさらに高いレベルの精度で行われます」とマーティン・マーは言った。 「それにより、ゲイルクレーターという非常にエキサイティングな場所に行くことができます。」
地球上で、私たちは常にGPSの位置を正確に見つけることができます。これは、携帯電話とナビゲーション機器にあります。しかし、火星にはGPSがないため、ローバーが移動できる唯一の方法は、航海チームが宇宙船がどこにあるかを正確に把握し、宇宙船に伝え続けることです。宇宙船が正確にどこにあるか。彼らは、火星に至るまでの打ち上げからそれらの決定のために深宇宙ネットワーク（DSN）を使用します。
深宇宙ネットワークは、3つの場所にある非常に敏感な深宇宙通信アンテナのネットワークで構成されています。マドリッド、スペイン;オーストラリアのキャンベラ。地球の表面上で約120度離れた戦略的な配置により、地球が回転している間、宇宙船を常に観測できます。
しかし、もちろん、地球と火星は宇宙で固定された位置ではないため、ロケットをポイントAからポイントBに移動するほど簡単ではありません。ナビゲーターは、地球の回転、火星の回転、回転する宇宙船の正確な速度と方向を計算するという課題に対処する必要があります。
正確に計算する必要のある太陽放射圧やスラスタ点火のような他の要因があります。
Martin-Mur氏は、MSLはMERミッションよりも大きな宇宙船とバックシェルを備えた非常に大きなローバーですが、ナビゲーションツールと計算に大きな違いはないと語っています。そして、いくつかの点で、MSLをナビゲートする方が簡単な場合があります。
「Atlas V車両は、Delta IIを使用したMERよりもはるかに正確な進水を可能にし、より正確な進路を示すことができます」とMartin-Mur氏は述べています。 「これにより、MERローバーよりも少ない推進剤を使用して、ポンドに比例して火星に到達できます。」
MERローバーと宇宙船の重量は約1トン、MSLの重量は約4トンです。 MSLには巡航段階で70 kgの推進剤が割り当てられ、MERローバーはそれぞれ約42 kgの推進剤を使用しました。
興味深いことに、MSL宇宙船が火星の大気と陸を降下するには、宇宙船は約400 kgの推進剤を使用します。
さらに、マーティン・マーは、より正確な惑星エフェメリスと非常に長いベースライン干渉測定が利用可能であり、ナビゲーションが大気圏突入インターフェースの適切な場所に宇宙船を届けることを可能にするので、車両は、動作するように設計されています。
起動時のナビゲーション
すべては、何年にもわたる準備とナビゲーションチームによる計算から始まります。これは、アトラスVロケットがMSLに搭載されて打ち上げられる正確なタイミングに応じて、火星までのすべての可能な軌道を計算する必要があります。
場合によっては、文字通り何千もの打ち上げ機会があり、すべての可能な軌道を正確に計算する必要があります。たとえば、Junoのミッションでは、1日2時間の起動ウィンドウがあり、3,300の起動機会がありました。 MSLの場合、毎日の起動ウィンドウには、リフトオフの機会が5分単位で含まれています。 24日間の打ち上げ期間全体で、チームはすべての可能な打ち上げ機会について489の異なる軌道を計算しました。
しかし、最終的には1つだけを使用することになります。
「これは、その場で行うことではありません。事前に準備しておくので、座ってそれを評価して確認する時間があります」と、MSLナビゲーションチームの別のメンバーであるNeil Mottingerは述べています。 1967年からジェット推進研究所。彼はマリナー、ボイジャー、MER、およびいくつかの国際ミッションなどの多くのミッションの航海に携わっています。
「打ち上げ時のナビゲーションの最初の機能は、実際の宇宙船の軌道を十分に決定して、宇宙船の信号がDSNアンテナのビーム幅内に収まるようにすることです」とMottingerはSpace Magazineに語った。
火星科学研究所は、打ち上げから約44分後に火星に向けてロケットをブーストし、ナビゲーターは宇宙船のすべての動きを追跡します。
Mottingerは、DSNの通信機能がなければ、惑星のミッションは存在しないと付け加えました。 「ナビゲーションチームは、コミュニケーションにギャップがないことを確認するためにできることは何でもします」と彼は言った。 「打ち上げ後の最初の6〜8時間は、宇宙船の正確な位置を特定できるようになるまでの時間です。」
Phobos-Gruntミッションの最近の問題から、打ち上げたばかりの宇宙船を追跡して通信するのがいかに難しいかは明らかです。
途中経過修正
繰り返しになりますが、ナビゲーションチームはミッションのすべての機動とスラスタの燃焼をモデル化して計算しました。 MSLが火星に到着すると、航海チームはすべてのモデルを再検討し、宇宙船を火星の適切な進入インターフェースに移動するための操作を設計します。
「私たちは軌道決定を行い、宇宙船の操縦を再設計し続けます」とマーティン・マーは言った。 「MSLには1ポンドのスラスターがあります。これはMER宇宙船と同じサイズですが、私たちの宇宙船はほぼ4倍重いので、私たちが行う操縦には長い時間がかかります。
惑星間のナビゲーションでは、エンジニアは宇宙船の位置を参照するために、宇宙のランドマークとして遠方のクエーサーを使用します。クエーサーは信じられないほど明るいですが、非常に遠い距離にあるため、背景の近くの星のように空を移動することはありません。 Martin-Murは、宇宙船の場所に応じて、この目的に使用できるほぼ100種類のクエーサーのリストを提供しました。
「それは興味深い」とマーティン・ミュール氏は熟考し、「クエーサーを使用して、非常に古い宇宙から数十億光年離れたものを使用しています。現在存在しない可能性のあるオブジェクトを使用しているのは本当にクールですが、非常に正確なナビゲーションのためにそれらを使用しています。」
航海チームは、太陽放射圧をモデル化する必要もあります。これは、太陽の放射が宇宙船に及ぼす影響です。
「私たちは、火星がどこにいるのか、そして地球と太陽がどこにいるのか、ソーラーシステムダイナミクスグループの友人たちのおかげで、よく知っています」とマーティン・マーは言った。 「しかし、この宇宙船はこれまで宇宙にいなかったので、正確にはわかっていないのは、太陽放射圧がどのように宇宙船の表面特性に影響を与えるか、そしてどのように宇宙船を混乱させるかです。そのための適切なモデルがない場合、宇宙船が地球から火星に移動するときに数百キロも離れることがあります。」
火星に到着
宇宙船が火星に接近するとき、宇宙船がどこにあるかを正確に知ることは非常に重要です。 「私たちは宇宙船を正しい入口点に向ける必要があります。そして、宇宙船がどこに入るのかを伝えて、着陸地点への道を見つけることができるようにします。」
MSL Entry Descent and Landing Instrumentation（MEDLI）は、探査機が大気に入ると情報を地球に送り返し、ナビゲーター（および科学チーム）にローバーが着陸した場所を正確に知らせます。
そうしてはじめて、航海チームは、たぶん—ため息をつくことができます。
