Selvkørende rumfartøj sat til planetarisk forsvarsekspedition

Ingeniører, der designer ESA's Hera planetariske forsvarsmission til Didymos asteroideparret, udvikler avanceret teknologi til at lade rumfartøjet styre sig selv gennem rummet, en lignende tilgang til selvkørende biler.

"Hvis du tror, ​​at selvkørende biler er fremtiden på Jorden, så er Hera pioneren inden for autonomi i det dybe rum, " forklarer Paolo Martino, ledende systemingeniør for ESA's foreslåede Hera-mission. "Mens missionen er designet til at blive fuldt betjent manuelt fra jorden, den nye teknologi vil blive testet, når kernemissionens mål er nået, og der kan tages højere risici."

Hera er i øjeblikket genstand for detaljeret designarbejde, forud for at blive præsenteret for Europas rumministre ved Space19+ Ministerial Council i november. Rumfartøjet vil undersøge en lillebitte måne med en diameter på 160 m af Didymos-asteroiden med en diameter på 780 m. i kølvandet på et banebrydende planetarisk forsvarseksperiment.

"Rumfartøjet vil fungere som et autonomt køretøj, fusionerer data fra forskellige sensorer for at opbygge en sammenhængende model af dens omgivelser, " siger ESA vejledning, navigation og kontrol (GNC) ingeniør Jesus Gil Fernandez.

"Heras mest afgørende datakilde vil være dets Asteroid Framing Camera, kombineret med input fra en star-tracker, laser højdemåler, termisk infrarødt kamera plus inertisensorer inklusive accelerometre."

Den resulterende autonomi skulle lade Hera navigere sikkert så tæt på 200 meter fra overfladen af ​​den mindre asteroide 'Didymoon', muliggør erhvervelse af videnskabelige observationer i høj opløsning ned til 2 cm pr. pixel – især fokuseret på nedslagskrateret efterladt af det amerikanske DART-rumfartøj, der styrtede ind i Didymoon for at aflede sit kredsløb.

GNC-ingeniør Massimo Casasco tilføjer:"Alle andre dybe rummissioner, til sammenligning, har haft en bestemt chauffør tilbage på jorden, med navigationskommandoer planlagt ved missionskontrol i ESA's European Space Operations Centre, før de blev oplinket til rumfartøjet timer senere. Under Heras eksperimentelle fase, tilsvarende beslutninger vil blive udført ombord på autonom basis i realtid."

For maksimal navigationssikkerhed, Heras primære indbyggede computer vil blive suppleret med en dedikeret billedbehandlingsenhed – på samme måde som stationære pc'er ofte har separate grafikkort – mens de låner maskinsynsteknikker fra industrielle kameraer, der anvendes på produktionslinjer.

Billedbaseret navigation

Planlagt til opsendelse i oktober 2023 og nå sit mål for Didymos nær-jorden asteroider tre år senere, ESA's foreslåede Hera-mission vil navigere sig selv i tre forskellige tilstande. Ved den første indflyvning vil hovedasteroiden fremstå som en mere lysstærk stjerne blandt mange.

"Langt fra, det bliver kun en lille prik, " forklarer Jesus. "Vi ville være nødt til at tage flere billeder for at observere dens bevægelse mod baggrundsstjernefeltet."

Denne billedbehandlingsteknik ligner dem, der er udviklet til at opdage små genstande af rumaffald og til sidst tillade fremtidige robotaffaldsfjernelsesmissioner at mødes med dem.

Den næste tilstand vil være den dominerende for størstedelen af ​​Heras mission mellem 30 km til 8 km afstand, med den større 'Didymain'-asteroide indrammet i sin kameravisning som et overordnet referencepunkt.

"Denne tilstand afhænger af at have den store asteroide mindre end vores samlede kamerasynsfelt, og detekterer kontrasten af ​​dens kanter, der giver plads til rummet udenfor, " siger Massimo. "Vi udnytter dens nogenlunde sfæriske form til at passe den inden for en cirkel og estimerer sigtelinjeafstanden mellem rumfartøjet og asteroidens 'tyngdepunkt'."

Didymain er blevet valgt som navigationsreferencepunkt, da det er kroppen, hvor det meste af systemets tyngdekraft er koncentreret, og man ved meget mere om den end den mindre Didymoon.

Denne metode vil blive ubrugelig, men når Hera kommer tættere på end 8 km fra Didymain, og asteroiden fylder sit synsfelt. Så kommer den mest ambitiøse navigationstilstand af alle, baseret på autonom funktionssporing uden absolut reference.

Jesus forklarer:"Dette vil være et spørgsmål om at afbilde de samme træk – såsom kampesten og kratere – i forskellige billeder for at få en fornemmelse af, hvordan vi bevæger os i forhold til overfladen, kombineret igen med anden information, herunder indbyggede accelerometre til dødregning og det termiske infrarøde kamera til at overflyve asteroidens natside."

Funktionssporing vil også blive brugt til at måle massen af ​​Didymoon, ved at måle den 'slingre' den forårsager sin forælder, i forhold til det fælles tyngdepunkt for det overordnede binære Didymos-system. Dette vil blive opnået ved at identificere små meterskalavariationer i rotationen af ​​faste vartegn omkring dette tyngdepunkt over tid.

I praksis, der vil uden tvivl være overraskelser, bemærker Massimo:"En fladere overflade ville være værre end noget med mange kampesten med høj kontrast, gør det lettere entydigt at identificere funktioner. Plus en mindre sfærisk krop med masser af uregelmæssige former og skygger ville være mere af en udfordring for den slags kantdetektion, vi bruger."

udviklingsteam i hele Europa

GMV i Spanien leder udviklingen af ​​dette vision-baserede navigationssystem, støttet af OHB i Sverige med andre partnere, herunder GMV i Polen og Rumænien. En replika af det Asteroid Framing Camera, Hera vil stole på, bliver i øjeblikket brugt til praktisk test af softwaren sammen med en højopløsningsmodel af Didymos.

Denne teknologi vil have bredere anvendelser i mange andre missioner, inklusive ESA's planlagte rumservicebil til renovering af satellitter og fjernelse af rumaffald, samt den ambitiøse Mars Sample Return-mission, hvis hjemrejse vil involvere autonomt møde i kredsløb om Mars. Ultimativt, en gang bevist, denne teknologi ville være en muliggørende byggesten til billige planetariske sonder ud i det dybe rum.