Визионно-драйвенная лунная навигационная система для посадочных модулей следующего поколения

В июле 2015 года NASA опубликовала NASA Technology Roadmaps — TA9: Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). В нем они изложили свои цели EDL на ближайшие годы: Разработать новые и инновационные технологии, не только для Луны, но также для будущей исследования по всей нашей солнечной системе. Для достижения этих целей NASA присудила контракт лаборатории Чарльза Старка Дрейпера, или Дрейпер для краткости, для разработки и тестирования их мульти-среды навигатора (DMEN), который использует визионно-базированные навигационные техники, как средство направления малых судов для посадки на Луну.

Мы интервьюировали д-ра Бретта Стритмана, Главного члена технического персонала в Дрейпере, чтобы узнать о DMEN.

Tech Briefs: Почему это название — DMEN?

Стритман: Причина этого названия, которое расшифровывается как Draper Multi-Environment Navigator, в том, что мы строили на множестве работы, которую Дрейпер уже делал, не только для космической навигации, но также на Земле и в орбите. Много этой работы вытекает из визионной навигации на управляемых парафойлах, где мы пытаемся навигировать спуск судна через атмосферу относительно посадочного места. Мы берем эту технологию и развиваем её для космоса. Дополнительно, мы используем технологию, которую мы разработали для маленьких дронов, летавших обратно у уровня земли, как внутри, так и снаружи. Более того, мы сделали некоторую работу для отслеживания астронавтов на Международной космической станции. Мы построили DMEN для них, чтобы нести и отслеживать их местоположение внутри станции. Мы собрали вместе все те технологии из внутри, снаружи, на Земле, в воздухе и в космосе для навигации малого лунного посадочного модуля.

Tech Briefs: Не могли бы вы описать устройство.

Стритман: Мы тестировали наш DMEN, летя им на баллоне World View Enterprises над Аризоной на высоте 108 000 футов. Устройство, которое летело на баллоне, имело две камеры. Мы тестировали, какие точки зрения и размеры линз нас интересовали для будущих полетов. У него была вниз-направленная камера и слегка вперед-направленная камера. Их выходы идут на in-house разработанную сенсорную плату. Данные от камер комбинируются с данными от других сенсоров и отправляются на полетный компьютер, запускающий наши алгоритмы.

Рисунок 1. Технология внутри навигатора Дрейпера — это вид, требуемый для точной лунной посадки. (Изображение любезно предоставлено: Дрейпер)

Прототип весит около 3 кг и составляет около 12" в ширину на 10" в высоту на 10" в глубину. Линзы камер закреплены снаружи коробки, но включены в это окно размеров.

Tech Briefs: В чем основа вашей навигационной технологии?

Рисунок 2. Дрейпер продемонстрировал способность точно навигировать баллон в суборбитальном полете во время теста, проведенного для NASA World View® Enterprises. (Изображение: любезно предоставлено World View Enterprises)

Стритман: Главная вещь, которую мы развиваем здесь — это программное обеспечение, которое обрабатывает изображения для того, чтобы прийти к оценочной позиции того, где камера находится. У нас есть несколько разных алгоритмов, над которыми мы работаем — по сути один делает визуальную одометрию, где он отслеживает особенности от кадра к кадру, чтобы сказать, как вы движетесь относительно сцены, которую вы смотрите. Мы также улучшили производительность, включив инерциальный измерительный компонент. Для наших технологий измерения абсолютной позиции мы берем изображение, захваченное на большой высоте, и сравниваем его с базой данных спутниковых изображений, чтобы прийти к совпадению для абсолютных локаций особенностей в точно той же самой сцене.

Tech Briefs: Какая роль инерциального измерения?

Стритман: Наша инерциальная измерительная система использует стандартные 3-осевые акселерометры и 3-осевые гироскопы. Она добавляет робастность и второй поток информации, который помогает вам предсказать, что покажет ваше следующее изображение. Так что, комбинируя эти два вида информации, вы можете получить гораздо более точное измерение. В космическом корабле вы склонны делать больше, чем просто сидеть неподвижно — вы движетесь и вращаетесь вокруг. Так что ваш вид земли меняется, основанный на ваших вперед и назад движениях и вашем вращении. Инерциальное измерение позволяет вам отслеживать эти изменения между захватами изображений. Вы тогда способны делать предсказания основанные на том, что произошло между текущим и последним изображениями. Точность системы улучшается сравнением того, что вы ожидаете увидеть в следующем изображении и как это изображение отличается от вашего ожидания.

Tech Briefs: Есть ли что-то особенное в оптике?

Рисунок 3. Новая визионно-базированная навигационная система Дрейпера была поставлена на тест во время полета над Аризоной, США, на высоте 108 000 футов. (Изображение любезно предоставлено: Дрейпер)

Стритман: Для этих демонстраций не было специальных характеристик для оптики. Мы купили готовые камеры и линзы для тестирования наших алгоритмов и программного обеспечения. Мы не покупали космоквалифицированную оптику или что-то, что вы могли бы на самом деле послать в космос. Дешевые готовые оптики были эффективны для тестов, которые мы делали.

Для этих тестов нам не обязательно нужна очень высокая частота визуализации, так что нам не нужно использовать глобальные или скользящие затворы. Когда мы пойдем к проектированию для фактической космической операции, где нам понадобится большая точность, это придется считать.

Tech Briefs: Можете ли вы резюмировать, где ваш проект стоит сейчас.

Стритман: В целом, то, что мы пытаемся сделать здесь — это разработать малую систему для эффективного направления лунной посадки и похожих операций. Когда используете пассивные образцовые и инерциальные сенсоры только, вы можете разработать гораздо более малую систему. Но есть ограничения в сравнении с техникой, использующей активный сигнал как лидар или радар. Вы можете торговать вниз до гораздо более малых размеров и весов, но вы теряете некоторую способность — скажем, работать в темноте или в тяжелых тенях. Есть компромисс между пассивными и активными сенсорами. Но с пассивным сенсором вы можете уменьшить размер того, что вам нужно для точной навигации куда-то вроде Луны. Например, на последнем большом лунном толчке NASA — технологии автономного лендинг-хазард-авойданса (ALHAT) — они разработали большой сенсорный набор с очень большим активным флеш-лидаром, но он также примерно в 40 раз более массивный, чем наш. Хотя он был полетен на Земле, он не был на Луне.

Мы предсказываем, что посадочные модули, основанные на нашей DMEN системе, будут иметь очень продуктивное будущее в наших грядущих космических исследованиях.

Эта статья написана Эдом Брауном, ассоциированным редактором Photonics & Imaging Technology.