Visionsgesteuertes Mondnavigationssystem für Lander der nächsten Generation

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 dar:Entwicklung neuer und innovativer Technologien, nicht nur für den Mond, sondern auch für die zukünftige Erforschung unseres gesamten Sonnensystems. Um diese Ziele zu erreichen, vergab die NASA einen Auftrag an das Charles Stark Draper Laboratory, kurz Draper, mit der Entwicklung und Erprobung ihres Multi-Environment Navigators (DMEN), der visionbasierte Navigationstechniken nutzt, um kleine Raumschiffe zur Landung auf dem Mond zu führen.

Wir haben Dr. Brett Streetman, Hauptmitglied des technischen Personals bei Draper, interviewt, um mehr über das DMEN zu erfahren.

Tech Briefs:Warum dieser Name – DMEN?

Straßenmann: Der Grund für diesen Namen, der für „Draper Multi-Environment Navigator“ steht, ist, dass wir auf vielen Arbeiten aufbauten, die Draper bereits durchgeführt hat, nicht nur für die Weltraumnavigation, sondern auch auf der Erde und im Orbit. Ein Großteil dieser Arbeit stammt aus der Sichtnavigation auf geführten Parafoils, bei der wir versuchen, den Abstieg des Fluggeräts durch die Atmosphäre relativ zu einem Landeplatz zu steuern. Wir nehmen diese Technologie und entwickeln sie für den Weltraum. Darüber hinaus nutzen wir Technologien, die wir für kleine Drohnen entwickelt haben, die in Bodennähe zurückfliegen, sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Darüber hinaus haben wir an der Verfolgung von Astronauten auf der Internationalen Raumstation gearbeitet. Wir haben das DMEN gebaut, damit sie ihren Standort innerhalb der Station transportieren und verfolgen können. Wir haben all diese Technologien aus dem Innen- und Außenbereich, auf der Erde, in der Luft und im Weltraum zusammengebracht, um einen kleinen Mondlander zu steuern.

Technische Informationen:Können Sie das Gerät beschreiben?

Straßenmann: Wir haben unser DMEN getestet, indem wir es an Bord eines Ballons von World View Enterprises über Arizona in einer Höhe von 108.000 Fuß fliegen ließen. Das Gerät, das auf dem Ballon flog, verfügte über zwei Kameras. Wir haben getestet, welche Blickwinkel und Objektivgrößen wir für zukünftige Flüge benötigen. Es verfügte über eine nach unten gerichtete Kamera und eine leicht nach vorne gerichtete Kamera. Ihre Ausgänge gehen an eine selbst entwickelte Sensorplatine. Die Daten der Kameras werden mit Daten anderer Sensoren kombiniert und an einen Flugcomputer gesendet, auf dem unsere Algorithmen laufen.

Abbildung 1. Die Technologie im Navigator von Draper ist für eine präzise Mondlandung erforderlich. (Bild mit freundlicher Genehmigung:Draper)

Der Prototyp wiegt etwa 3 kg und ist etwa 12 Zoll breit, 10 Zoll hoch und 10 Zoll tief. Die Kameraobjektive sind an der Außenseite der Box angebracht, liegen aber innerhalb dieses Dimensionsfensters.

Tech Briefs:Was ist die Grundlage Ihrer Navigationstechnologie?

Abbildung 2. Draper demonstrierte während eines von World View® Enterprises für die NASA durchgeführten Tests die Fähigkeit, einen Ballon im suborbitalen Flug präzise zu steuern. (Bild:mit freundlicher Genehmigung von World View Enterprises)

Straßenmann: Das Wichtigste, was 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 führt einer die visuelle Odometrie durch, bei der Merkmale von Bild zu Bild verfolgt werden, um festzustellen, wie Sie sich relativ zu der Szene, die Sie betrachten, bewegen. Wir haben die Leistung auch durch die Integration einer Trägheitsmesskomponente verbessert. Für unsere Technologien zur absoluten Positionsmessung nehmen wir ein in großer Höhe aufgenommenes Bild auf und vergleichen es mit einer Datenbank mit Satellitenbildern, um eine Übereinstimmung für die absoluten Positionen von Merkmalen in derselben genauen Szene zu ermitteln.

Tech Briefs:Welche Rolle spielt die Trägheitsmessung?

Straßenmann: Unser Trägheitsmesssystem verwendet standardmäßige 3-Achsen-Beschleunigungsmesser und 3-Achsen-Gyroskope. Es sorgt für Stabilität und einen zweiten Informationsstrom, der Ihnen hilft, vorherzusagen, was Ihr nächstes Bild zeigen wird. Durch die Kombination dieser beiden Arten von Informationen können Sie also eine viel genauere Messung erhalten. In einem Weltraumfahrzeug tun Sie in der Regel mehr als nur still zu sitzen – Sie bewegen und drehen sich. Ihre Sicht auf den Boden verändert sich also, basierend auf Ihren Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen und Ihrer Rotation. Mit der Trägheitsmessung können Sie diese Änderungen zwischen Bildaufnahmen verfolgen. Sie können dann Vorhersagen treffen, basierend auf dem, was zwischen dem aktuellen und dem letzten Bild passiert ist. Die Systemgenauigkeit wird verbessert, indem verglichen wird, was Sie im nächsten Bild erwarten und wie dieses Bild von Ihren Erwartungen abweicht.

Tech Briefs:Gibt es etwas Besonderes an der Optik?

Abbildung 3. Das neue visionsbasierte Navigationssystem von Draper wurde während eines Fluges über Arizona, USA, in einer Höhe von 108.000 Fuß getestet. (Bild mit freundlicher Genehmigung:Draper)

Straßenmann: Für diese Vorführungen gab es keine besonderen Merkmale für die Optik. Wir kauften handelsübliche Kameras und Objektive, um unsere Algorithmen und Software zu testen. Wir haben keine weltraumgeeigneten Optiken oder irgendetwas anderes gekauft, das man tatsächlich in den Weltraum schicken könnte. Bei den Tests, die wir durchführten, erwiesen sich handelsübliche, günstigere Optiken als wirksam.

Für diese Tests benötigen wir nicht unbedingt eine sehr hohe Bildrate, sodass wir weder Global- noch Rolling-Shutter verwenden müssen. Wenn wir mit dem Entwurf für den tatsächlichen Weltraumbetrieb beginnen, wo wir eine größere Genauigkeit benötigen, müssen wir das berücksichtigen.

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

Straßenmann: Insgesamt versuchen wir hier, ein kleines System zur effektiven Steuerung einer Mondlandung und ähnlicher Operationen zu entwickeln. Wenn Sie nur passive Bild- und Trägheitssensorik verwenden, können Sie ein viel kleineres System entwickeln. Es gibt jedoch Einschränkungen im Vergleich zu einer Technik, die ein aktives Signal wie Lidar oder Radar nutzt. Sie können auf viel kleinere Größen und Gewichte umsteigen, verlieren dabei aber einiges an Leistungsfähigkeit – beispielsweise beim Betrieb im Dunkeln oder in starkem Schatten. Es gibt einen Kompromiss zwischen passiven und aktiven Sensoren. Aber mit einem passiven Sensor können Sie die Größe dessen verkleinern, was Sie für eine genaue Navigation an Orten wie dem Mond benötigen. Zum Beispiel haben sie beim letzten großen Mondschub der NASA – der autonomen Landegefahr-Vermeidungstechnologie (ALHAT) – eine große Sensoreinheit mit einem sehr großen aktiven Flash-Lidar entwickelt, der aber auch etwa 40-mal massereicher ist als unserer. Obwohl es auf der Erde geflogen ist, ist es nicht zum Mond geflogen.

Wir gehen davon aus, dass Lander, die auf unserem DMEN-System basieren, bei unseren kommenden Weltraumforschungen eine sehr produktive Zukunft haben werden.

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