차세대 착륙선을 위한 비전 기반 달 항법 시스템

2015년 7월 NASA는 NASA 기술 로드맵 — TA9:진입, 하강 및 착륙 시스템(EDL)을 발표했습니다. 여기에서 그들은 향후 몇 년간의 EDL 목표를 제시했습니다. 달뿐만 아니라 태양계 전체의 미래 탐사를 위한 새롭고 혁신적인 기술을 개발하는 것입니다. 이러한 목표를 달성하기 위해 NASA는 소형 우주선을 달에 착륙시키기 위한 수단으로 비전 기반 항법 기술을 사용하는 다중 환경 항법 장치(DMEN)를 개발하고 테스트하기 위해 Charles Stark Draper Laboratory(간단히 Draper)와 계약을 체결했습니다.

DMEN에 대해 알아보기 위해 Draper의 수석 회원이자 기술 직원인 Dr. Brett Streetman과 인터뷰했습니다.

기술 개요:이름이 왜 DMEN인가요?

길거리 사람: Draper Multi-Environment Navigator의 약자인 그 이름의 이유는 Draper가 우주 항해뿐만 아니라 지구와 궤도에서 이미 수행하고 있던 많은 작업을 기반으로 구축하고 있었기 때문입니다. 이 작업의 대부분은 착륙 지점을 기준으로 대기를 통해 우주선의 하강을 탐색하려는 유도 파라포일의 비전 탐색에서 비롯됩니다. 우리는 그 기술을 우주용으로 개발하고 있습니다. 또한, 우리는 실내와 실외 모두에서 지상 근처로 날아오는 소형 드론을 위해 개발한 기술을 사용하고 있습니다. 또한 우리는 국제 우주 정거장에서 우주비행사를 추적하는 작업도 수행했습니다. 우리는 그들이 역 내부에서 자신의 위치를 ​​휴대하고 추적할 수 있도록 DMEN을 구축했습니다. 우리는 소형 달 착륙선의 항해를 위해 실내, 실외, 지구, 공중, 우주의 모든 기술을 모았습니다.

기술 개요:장치에 대해 설명해 주시겠습니까?

길거리 사람: 우리는 108,000피트 고도에서 애리조나 상공의 World View Enterprises 열기구를 타고 DMEN을 비행하여 테스트했습니다. 풍선에 날아간 장치에는 두 대의 카메라가 있었습니다. 우리는 향후 비행에서 어떤 시점과 렌즈 크기에 관심이 있는지 테스트하고 있었습니다. 아래쪽을 향한 카메라와 약간 앞쪽을 향한 카메라가 있었습니다. 출력은 자체 개발한 센서 보드로 전달됩니다. 카메라의 데이터는 다른 센서의 데이터와 결합되어 우리 알고리즘을 실행하는 비행 컴퓨터로 전송됩니다.

그림 1. Draper의 내비게이터 내부 기술은 정확한 달 착륙에 필요한 기술입니다. (이미지 제공 :드레이퍼)

프로토타입의 무게는 약 3kg이고 크기는 폭 12인치, 높이 10인치, 깊이 10인치입니다. 카메라 렌즈는 상자 외부에 장착되지만 해당 치수 창 내에 포함됩니다.

기술 개요:내비게이션 기술의 기초는 무엇입니까?

그림 2. Draper는 World View® Enterprises가 NASA를 위해 실시한 테스트 중에 준궤도 비행에서 풍선을 정확하게 조종하는 능력을 시연했습니다. (사진=월드뷰엔터프라이즈 제공)

길거리 사람: 여기서 우리가 개발하고 있는 가장 중요한 것은 카메라가 있는 위치를 추정하기 위해 이미지를 처리하는 소프트웨어입니다. 우리는 몇 가지 다른 알고리즘을 연구하고 있습니다. 본질적으로 하나는 시각적 주행 거리계를 수행합니다. 즉, 프레임별로 특징을 추적하여 보고 있는 장면에 비해 어떻게 움직이는지 알려줍니다. 또한 관성 측정 구성 요소를 포함하여 성능을 향상했습니다. 절대 위치 측정 기술의 경우 높은 고도에서 캡처한 이미지를 위성 이미지 데이터베이스와 비교하여 동일한 장면에서 지형지물의 절대 위치에 대한 일치 항목을 찾아냅니다.

기술 요약:관성 측정의 역할은 무엇인가요?

길거리 사람: 우리의 관성 측정 시스템은 표준 3축 가속도계와 3축 자이로스코프를 사용합니다. 다음 이미지가 어떻게 표시될지 예측하는 데 도움이 되는 두 번째 정보 스트림과 견고성을 추가합니다. 따라서 이 두 종류의 정보를 결합하면 훨씬 더 정확한 측정을 얻을 수 있습니다. 우주 비행체에서는 단순히 가만히 앉아 있는 것 이상으로 움직이고 회전하는 경향이 있습니다. 따라서 땅에 대한 관점은 앞뒤 움직임과 회전에 따라 변합니다. 관성 측정을 통해 이미지 캡처 사이의 변화를 추적할 수 있습니다. 그런 다음 현재 이미지와 마지막 이미지 사이에 발생한 일을 기반으로 예측을 할 수 있습니다. 다음 이미지에서 볼 것으로 예상되는 것과 해당 이미지가 예상과 어떻게 다른지 비교하여 시스템 정확도가 향상됩니다.

기술 요약:광학에 특별한 것이 있나요?

그림 3. Draper의 새로운 비전 기반 내비게이션 시스템은 미국 애리조나 상공의 고도 108,000피트 비행 중에 테스트되었습니다. (이미지 제공 :드레이퍼)

길거리 사람: 이번 시연에는 광학 장치에 대한 특별한 특성이 없었습니다. 우리는 알고리즘과 소프트웨어를 테스트하기 위해 기성 카메라와 렌즈를 구입했습니다. 우리는 우주에 적합한 광학 기기나 실제로 우주로 보낼 수 있는 어떤 것도 구입하지 않았습니다. 우리가 진행 중인 테스트에는 시중에 판매되는 저렴한 광학 장치가 효과적이었습니다.

이러한 테스트에서는 매우 높은 이미징 속도가 반드시 필요한 것은 아니므로 글로벌 또는 롤링 셔터를 사용할 필요가 없습니다. 더 높은 정확도가 필요한 실제 공간 운영을 위한 설계를 진행할 때 이를 고려해야 합니다.

기술 개요:귀하의 프로젝트가 현재 어디에 있는지 요약해주실 수 있나요?

길거리 사람: 전반적으로 우리가 여기서 하려는 것은 달 착륙 및 유사한 작업을 효과적으로 안내하기 위한 작은 시스템을 개발하는 것입니다. 패시브 이미지와 관성 감지만 사용하면 훨씬 더 작은 시스템을 개발할 수 있습니다. 하지만 라이다나 레이더와 같은 능동 신호를 활용하는 기술에 비해 한계가 있다. 훨씬 더 작은 크기와 무게로 줄일 수 있지만 어둠 속에서나 짙은 그림자 속에서 작동하는 등 일부 기능을 잃게 됩니다. 수동 센서와 능동 센서 사이에는 절충점이 있습니다. 그러나 패시브 센서를 사용하면 달과 같은 곳을 정확하게 탐색하는 데 필요한 크기를 줄일 수 있습니다. 예를 들어, NASA의 마지막 대규모 달 탐사인 ALHAT(자율 착륙 위험 회피 기술)에서 그들은 매우 큰 활성 플래시 라이더를 갖춘 대형 센서 제품군을 개발했지만 그 규모는 우리보다 약 40배 더 큽니다. 지구에서는 날아갔지만 달에는 가지 않았습니다.

우리는 DMEN 시스템을 기반으로 한 착륙선이 다가오는 우주 탐사에서 매우 생산적인 미래를 가질 것이라고 예측합니다.

이 기사는 Photonics &Imaging Technology의 부편집장인 Ed Brown이 작성했습니다.