At lære et gammelt rumfartøj nye tricks til at fortsætte med at udforske månen

NASAs Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) rumfartøj har langt overskredet sin planlagte missionsvarighed, afslører, at Månen rummer overraskelser:isaflejringer, der kan bruges til at understøtte fremtidig måneudforskning, de koldeste steder i solsystemet i permanent skyggede områder ved månepolerne, og at det er en aktiv verden, der skrumper, genererer måneskælv og ændrer sig foran vores øjne. LRO har kortlagt overfladen i udsøgte detaljer, returnerer millioner af billeder af et markant smukt månelandskab og baner vejen for fremtidige menneskelige missioner under NASAs Artemis-program.

I foråret 2018 LRO's Miniature Inertial Measurement Unit (MIMU), en kritisk sensor, der bruges til at pege på rumfartøjets instrumenter, blev slukket for at bevare dets resterende liv efter at have udvist tegn på tilbagegang på grund af naturlig aldring i det barske miljø i rummet. MIMU er som et speedometer. Den måler LRO's rotationshastighed. Uden det, LRO blev tvunget til kun at stole på data fra stjernesporere - videokameraer med billedbehandlingssoftware, der udleder orientering baseret på stjernekort - for at pege og omorientere rumfartøjet. "Dette begrænsede muligheden for at omorientere (dræbe) rumfartøjet til videnskabelige formål, " sagde Julie Halverson, Lead Systems Engineer i Space Science Mission Operations ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland.

"At omorientere rumfartøjet for at få sidevisningsdata er værdifuldt for videnskabsmænd, da det giver os mulighed for at måle, hvordan lys reflekteres fra Månen anderledes, afhængigt af instrumentets visning, " sagde Noah Petro, Projektforsker for LRO hos NASA Goddard. "Dette kaldes overfladens fotometri. Derudover, kameraet tager sidebilleder for at bygge 3-D-billeder af overfladen og for at indsamle perspektivbilleder af Månen, der hjælper med at afvikle geologiske forhold." For at få LRO til at svinge igen, NASA-ingeniører udviklede en ny algoritme, der kan estimere LRO's rotationshastighed ved at fusionere stjerne-tracker-målinger sammen med anden information tilgængelig fra LRO's flycomputer.

For at LRO's nye speedometer kan fungere korrekt, stjernesporerne skal bevare et uhindret udsyn til stjernerne, som kan blokeres af Jorden eller Månen, eller solens skær. Ellers, det er umuligt at bestemme orienteringen eller estimere rumfartøjets rotationshastighed. At sikre, at stjernesporerne altid er uhindret under videnskabelige manøvrer, gjorde mange videnskabelige observationer, som nemt kunne udføres med MIMU, umulige at udføre uden den. For at genvinde disse ellers tabte muligheder, Goddard, NASA's Engineering Safety Center (NESC) og Naval Postgraduate School (NPS) i Monterey, Californien, slog sig sammen igen i deres lange historie af kooperativ forskning for hurtigt at udvikle en samling af nye, revolutionerende metoder til at sætte LRO i stand til at blive ved med at udforske Månen til dens fulde evne.

"Den algoritme, vi udviklede til LRO, hedder Fast Maneuvering eller 'FastMan', og den fungerer sammen med LRO's star-tracker-baserede controller, " sagde Mark Karpenko, en forskningslektor ved NPS og FastMan Project Lead. "Manøvrerne styrer naturligt uden om lyse genstande ligesom undgåelse af forhindringer i en selvkørende bil." En computeralgoritme er et sæt instruktioner til at behandle data. Karpenko var i stand til at konstruere FastMan ved at bruge softwareværktøjer, der er baseret på de samme værktøjer, som tidligere blev brugt af et NASA-NPS-hold til at omorientere den internationale rumstation ved at kombinere kræfter fra rummiljøet sammen med dets gyroskoper i stedet for at brænde brændstof ved at affyre dens thrustere . Denne "Zero Propellant Maneuver" ligner en slagmanøvre, der bruges i sejlads.

"Lunar Reconnaissance Orbiter gennemgår hyppige specielle drejninger, når den kredser om Månen, og vores evne til at planlægge disse drejninger er begrænset af den tid, det tager at udføre dem, " sagde John Keller, Stedfortrædende projektforsker for LRO hos NASA Goddard. Med FastMan, LRO var i stand til at udføre næsten 200 yderligere drejninger, som ikke kunne have været udført ellers.

"Rent faktisk, de fleste af de præstationsforbedringer, vi har opnået indtil videre, var ved at bruge resultaterne af FastMan til at skabe, hvad vi kalder en 'taxa'-manøvre, " sagde Karpenko. Fordi hele FastMan krævede ændringer af LRO's flyvesoftware, Karpenko designede taxamanøvren til at nå de fleste af FastMans mål, uden at det krævede ændringer i flysoftwaren. "Desværre, indtil vi kunne opdatere flyvesoftwaren, Jeg var nødt til at være i løkken, " sagde Karpenko. Den fulde FastMan-manøvre er fuldstændig autonom.

Det første FastMan-slag blev udført i kredsløb i slutningen af ​​juli 2020 og tillod LRO-kameraet, et af LRO's syv videnskabelige instrumenter, at få et sidebillede af Triesnecker-krateret 25 procent hurtigere end en taxa-sejlads ville have tilladt. Med disse nye algoritmer, LRO er igen i stand til hurtigt at se til siden, og rumfartøjet er ved godt helbred, med alle instrumenter, der stadig indsamler data. "LRO er nu i år 11 af det, der oprindeligt forventedes at være en to-årig mission, " sagde Petro. "Vi overvåger regelmæssigt alle LRO-systemer for tegn på nedbrydning eller forandring. Brændstof kan være vores hastighedsbegrænsende faktor, nuværende estimater giver os mulighed for at have mindst fem år mere brændstof ombord, hvis ikke mere."

I 2010 NPS, NESC og Goddard gik sammen om at implementere de første minimum-tids-omlægningsmanøvrer nogensinde udført i kredsløb. Dette innovative arbejde blev udført som en udtjent flydemonstration på TRACE-rumfartøjet. I dag, det månevidenskabelige samfund nyder godt af dette banebrydende arbejde. "Svingalgoritmerne udviklet af NPS har allerede givet LRO mulighed for at indsamle mere videnskab, " forklarede Neil Dennehy, NASA teknisk stipendiat til vejledning, Navigation og kontrol. "Jeg forventer, at vores industripartnere i fremtiden også vil være i stand til at udnytte denne teknologi."