Visionsgestütztes Lunar-Navigationssystem für Next-Gen-Lander

Im Juli 2015 veröffentlichte die NASA NASA Technology Roadmaps — TA9: Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). Darin legten sie ihre EDL-Ziele für die kommenden Jahre fest: Entwicklung neuer und innovativer Technologie, nicht nur für den Mond, sondern auch für zukünftige Exploration unseres gesamten Sonnensystems. Zur Erreichung dieser Ziele vergab die NASA einen Vertrag an das Charles Stark Draper Laboratory, kurz Draper, um ihren Multi-Environment Navigator (DMEN) zu entwickeln und zu testen, der visionsbasierte Navigationstechniken nutzt, um kleine Raumfahrzeuge zur Landung auf dem Mond zu führen.

Wir interviewten Dr. Brett Streetman, Principal Member, Technical Staff bei Draper, um über den DMEN zu erfahren.

Tech Briefs: Warum der Name – DMEN?

Streetman: Der Grund für den Namen, der für Draper Multi-Environment Navigator steht, ist, dass wir auf viel Arbeit aufbauten, die Draper bereits leistete, nicht nur für Weltraumnavigation, sondern auch auf der Erde und im Orbit. Viel davon stammt von Visionsnavigation an gelenkten Parafoils, wo wir versuchten, den Abstieg des Fahrzeugs durch die Atmosphäre relativ zu einem Landepunkt zu navigieren. Wir nehmen diese Technologie und entwickeln sie für den Weltraum. Zusätzlich nutzen wir Technologie, die wir für kleine Drohnen entwickelt hatten, die nah am Boden flogen, sowohl indoor als auch outdoor. Weiterhin machten wir Arbeit zum Tracking von Astronauten auf der Internationalen Raumstation. Wir bauten den DMEN für sie, um ihre Position innerhalb der Station zu tracken. Wir brachten all diese Technologien von indoor, outdoor, auf der Erde, in der Luft und im Weltraum zusammen, für die Navigation eines kleinen Lunar Landers.

Tech Briefs: Könnten Sie das Gerät beschreiben?

Streetman: Wir testeten unseren DMEN, indem wir ihn an Bord eines World View Enterprises Ballons über Arizona auf 108.000 Fuß Höhe flogen. Das Gerät, das auf dem Ballon flog, hatte zwei Kameras. Wir testeten, welche Blickwinkel und Linsengrößen wir für zukünftige Flüge interessant fanden. Es hatte eine nach unten gerichtete Kamera und eine leicht nach vorne gerichtete Kamera. Ihre Outputs gehen zu einem intern entwickelten Sensorboard. Die Daten der Kameras werden mit Daten anderer Sensoren kombiniert und an einen Flight Computer gesendet, der unsere Algorithmen läuft.

Abbildung 1. Die Technologie in Drapers Navigator ist die Art, die für eine präzise Mondlandung erforderlich ist. (Bild: Draper)

Der Prototyp wiegt ca. 3 kg und ist ca. 12" breit × 10" hoch × 10" tief. Die Kameralinsen sind an der Außenseite der Box montiert, aber innerhalb dieses Dimensionsfensters enthalten.

Tech Briefs: Was ist die Basis Ihrer Navigationstechnologie?

Abbildung 2. Draper demonstrierte die Fähigkeit, einen Ballon in suborbitalem Flug präzise zu navigieren während eines für NASA durch World View® Enterprises durchgeführten Tests. (Bild: World View Enterprises)

Streetman: Das Hauptding, das wir hier entwickeln, ist die Software, die die Bilder verarbeitet, um eine geschätzte Position der Kamera zu ermitteln. Wir haben ein paar verschiedene Algorithmen, an denen wir arbeiten – im Wesentlichen macht einer Visual Odometry, wo er Features Frame-zu-Frame trackt, um zu sagen, wie Sie sich relativ zur Szene bewegen, die Sie betrachten. Wir haben auch die Performance verbessert, indem wir eine inertialen Messkomponente inkludierten. Für unsere absoluten Positionsmessungstechnologien nehmen wir ein Bild, das auf hoher Höhe aufgenommen wurde, und vergleichen es mit einer Datenbank von Satellitenbildern, um einen Match für absolute Locations von Features in exakt derselben Szene zu finden.

Tech Briefs: Welche Rolle spielt die inertialen Messung?

Streetman: Unser inertialen Messsystem nutzt Standard-3-Achsen-Beschleunigungsmesser und 3-Achsen-Gyroskope. Es fügt Robustheit und einen zweiten Informationsstrom hinzu, der hilft, vorherzusagen, was Ihr nächstes Bild zeigen wird. Indem man diese zwei Informationsarten kombiniert, kann man eine viel genauere Messung erhalten. In einem Weltraumfahrzeug neigen Sie dazu, mehr zu tun als nur stillzusitzen – Sie bewegen und rotieren sich. Also ändert sich Ihr Blick auf den Boden, basierend auf Ihren Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen und Ihrer Rotation. Die inertialen Messung erlaubt Ihnen, diese Änderungen zwischen Bildaufnahmen zu tracken. Sie sind dann in der Lage, Vorhersagen basierend auf dem zu treffen, was zwischen aktuellem und letztem Bild passiert ist. Die Systemgenauigkeit wird verbessert, indem man vergleicht, was man im nächsten Bild erwartet zu sehen und wie dieses Bild von der Erwartung abweicht.

Tech Briefs: Gibt es etwas Besonderes an der Optik?

Abbildung 3. Drapers neues visionsbasiertes Navigationssystem wurde während eines Flugs über Arizona, USA, auf 108.000 Fuß Höhe getestet. (Bild: Draper)

Streetman: Für diese Demonstrationen gab es keine besonderen Charakteristika für die Optik. Wir kauften Off-the-shelf-Kameras und -Linsen, um unsere Algorithmen und Software zu testen. Wir kauften nicht space-qualified Optiken oder etwas, was man tatsächlich in den Weltraum schicken könnte. Günstigere Off-the-shelf-Optiken waren effektiv für die Tests, die wir machten.

Für diese Tests brauchen wir nicht unbedingt eine sehr hohe Imaging-Rate, also müssen wir keine Global- oder Rolling-Shutter nutzen. Wenn wir zum Design für tatsächlichen Weltraumbetrieb gehen, wo wir größere Genauigkeit brauchen, muss das berücksichtigt werden.

Tech Briefs: Können Sie zusammenfassen, wo Ihr Projekt jetzt steht.

Streetman: Insgesamt versuchen wir hier, ein kleines System zu entwickeln, um effektiv eine Mondlandung und ähnliche Operationen zu führen. Wenn man nur passive Bild- und inertialen Sensoren nutzt, kann man ein viel kleineres System entwickeln. Aber es gibt Limitationen im Vergleich zu einer Technik, die ein aktives Signal wie Lidar oder Radar nutzt. Man kann zu viel kleineren Größen und Gewichten traden, aber man verliert etwas Kapazität – sagen wir Betrieb im Dunkeln oder in schweren Schatten. Es gibt ein Trade-off zwischen passiven und aktiven Sensoren. Aber mit einem passiven Sensor kann man die Größe dessen, was man braucht, um irgendwo wie den Mond präzise zu navigieren, schrumpfen. Zum Beispiel, beim letzten großen NASA Lunar Push – Autonomous Landing Hazard Avoidance Technology (ALHAT) – entwickelten sie eine große Sensorsuite mit sehr großem aktivem Flash-Lidar, aber es ist auch ca. 40-mal massiver als unseres. Obwohl es auf der Erde geflogen ist, ist es nicht zum Mond gegangen.

Wir prognostizieren, dass Lander, basierend auf unserem DMEN-System, eine sehr produktive Zukunft in unseren kommenden Weltraumexplorationen haben werden.

Dieser Artikel wurde von Ed Brown, Associate Editor of Photonics & Imaging Technology, verfasst.