비전 기반 달 착륙 항법 시스템, 차세대 착륙선 위한 혁신

2015년 7월, NASA는 NASA 기술 로드맵 - TA9: 진입, 하강, 착륙 시스템(EDL)을 발표했습니다. 향후 몇 년간의 EDL 목표를 제시했습니다: 달뿐만 아니라 태양계 전반의 미래 탐사를 위해 새롭고 혁신적인 기술을 개발하는 것입니다. 이 목표 달성을 위해 NASA는 찰스 스타크 드레이퍼 연구소(Charles Stark Draper Laboratory, 약칭 Draper)에 다중 환경 항법기(DMEN) 개발 및 테스트 계약을 수여했습니다. 이는 비전 기반 항법 기술을 사용하여 소형 우주선을 달에 착륙시키는 수단입니다.

Dr. Brett Streetman, Draper 수석 기술 직원과의 인터뷰를 통해 DMEN에 대해 알아봅니다.

Tech Briefs: 왜 DMEN이라는 이름인가요?

Streetman: 그 이름, 즉 드레이퍼 다중 환경 항법기(Draper Multi-Environment Navigator)인 이유는 우리가 드레이퍼가 이미 수행하던 많은 작업을 기반으로 구축했기 때문입니다. 우주 항법뿐만 아니라 지구상과 궤도에서도요. 이 작업의 많은 부분은 유도 파라포일(vision navigation on guided parafoils)에서의 비전 항법에서 비롯됩니다. 대기 중 하강을 착륙 지점 상대적으로 항법하려 했죠. 그 기술을 우주용으로 개발하고 있습니다. 또한 지면 근처에서 실내외 비행하는 소형 드론용으로 개발한 기술도 사용합니다. 게다가 국제우주정거장에서 우주비행사 추적 작업을 수행하기도 했습니다. 그들이 정거장 내부에서 위치 추적용으로 휴대할 DMEN을 만들었습니다. 실내, 실외, 지구상, 공중, 우주에서의 그 모든 기술들을 소형 달 착륙선 항법을 위해 하나로 모았습니다.

Tech Briefs: 장치를 설명해 주시겠습니까?

Streetman: World View Enterprises 풍선에 실어 애리조나 상공 108,000피트 고도에서 DMEN을 테스트했습니다. 풍선에 탄 장치에는 두 대의 카메라가 있었습니다. 미래 비행을 위해 어떤 관점과 렌즈 크기가 필요한지 테스트했습니다. 하향 카메라와 약간 전방을 향한 카메라가 있었습니다. 출력은 자체 개발한 센서 보드로 갑니다. 카메라 데이터는 다른 센서 데이터와 결합되어 우리 알고리즘을 실행하는 비행 컴퓨터로 전송됩니다.

Figure 1. 드레이퍼 항법기 내 기술은 정밀한 달 착륙에 필요한 종류입니다. (이미지 제공: Draper)

프로토타입 무게는 약 3kg, 크기는 약 12인치 너비 × 10인치 높이 × 10인치 깊이입니다. 카메라 렌즈는 박스 외부에 장착되지만 그 치수 범위 내에 포함됩니다.

Tech Briefs: 항법 기술의 기초는 무엇입니까?

Figure 2. 드레이퍼, World View® Enterprises가 NASA를 위해 수행한 테스트에서 준궤도 비행 중 풍선 항법 정확도 입증. (이미지: World View Enterprises 제공)

Streetman: 우리가 여기서 개발하는 주된 것은 이미지를 처리하여 카메라가 어디에 있는지 추정된 위치를 도출하는 소프트웨어입니다. 몇 가지 다른 알고리즘을 개발 중인데, 본질적으로 하나는 시각 오도메트리(visual odometry)로, 프레임 간 특징을 추적하여 보고 있는 장면에 상대적으로 어떻게 움직이는지 알려줍니다. 관성 측정 구성요소를 포함하여 성능을 향상시켰습니다. 절대 위치 측정 기술로는 고고도에서 촬영한 이미지를 위성 이미지 데이터베이스와 비교하여 정확히 같은 장면에서 특징들의 절대 위치와 매칭시킵니다.

Tech Briefs: 관성 측정의 역할은 무엇입니까?

Streetman: 우리 관성 측정 시스템은 표준 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 사용합니다. 견고성과 다음 이미지가 무엇을 보여줄지 예측하는 데 도움이 되는 두 번째 정보 흐름을 추가합니다. 이 두 종류의 정보를 결합하면 훨씬 더 정확한 측정을 얻을 수 있습니다. 우주 비행체에서는 가만히 있는 것 이상으로 움직이고 회전합니다. 그래서 지면 시야가 전후 운동과 회전에 기반해 변합니다. 관성 측정을 통해 이미지 캡처 사이에 그런 변화들을 추적할 수 있습니다. 그러면 현재와 마지막 이미지 사이에서 일어난 일을 기반으로 예측할 수 있습니다. 시스템 정확도는 다음 이미지에서 볼 것으로 예상되는 것과 실제 이미지가 어떻게 다른지 비교하여 향상됩니다.

Tech Briefs: 광학계에 특별한 점이 있습니까?

Figure 3. 드레이퍼의 새로운 비전 기반 항법 시스템이 미국 애리조나 상공 108,000피트 고도 비행 테스트 중 검증되었습니다. (이미지 제공: Draper)

Streetman: 이 시연들에서는 광학계에 특별한 특성이 없었습니다. 알고리즘과 소프트웨어 테스트를 위해 기성품 카메라와 렌즈를 구매했습니다. 우주 인증 광학계나 우주로 보낼 법한 건 사지 않았습니다. 테스트하던 목적에는 기성품 저가 광학계가 효과적이었습니다.

이 테스트들에선 반드시 매우 높은 이미징 레이트가 필요한 건 아니어서 글로벌 또는 롤링 셔터를 쓸 필요 없었습니다. 실제 우주 작전을 위해 설계할 때 더 높은 정확도가 필요하면 그때 고려해야 할 것입니다.

Tech Briefs: 프로젝트 현황을 요약해 주시겠습니까?

Streetman: 전반적으로 우리는 달 착륙과 유사 작업을 효과적으로 유도하는 소형 시스템 개발을 목표로 합니다. 수동 이미지와 관성 센싱만 사용하면 훨씬 더 작은 시스템을 개발할 수 있습니다. 하지만 라이다나 레이더 같은 능동 신호를 사용하는 기술과 비교하면 한계가 있습니다. 훨씬 더 작은 크기와 무게로 맞출 수 있지만, 일부 능력은 상실합니다. 예컨대 어둠이나 짙은 그림자에서 작동 못 함. 수동과 능동 센서 간 트레이드오프가 있습니다. 하지만 수동 센서로 달 같은 곳에 정확히 항법하는 데 필요한 것의 크기를 줄일 수 있습니다. 예를 들어 지난번 큰 NASA 달 추진 때 자율 착륙 위험 회피 기술(ALHAT)이 아주 큰 능동 플래시 라이다를 포함한 큰 센서 세트를 개발했는데, 우리 것보다 약 40배 더 무겁습니다. 지구에서 비행했지만 달엔 안 갔습니다.

우리 DMEN 시스템 기반 착륙선들이 다가올 우주 탐사에서 매우 생산적인 미래를 가질 것으로 예측합니다.

이 기사는 Ed Brown, Photonics & Imaging Technology 부편집장이 작성했습니다.