Ingenieurs die ESA's Hera planetaire verdedigingsmissie naar het asteroïdepaar Didymos ontwerpen, ontwikkelen geavanceerde technologie om het ruimtevaartuig zichzelf door de ruimte te laten sturen. een vergelijkbare benadering van zelfrijdende auto's.

"Als je denkt dat zelfrijdende auto's de toekomst op aarde zijn, dan is Hera de pionier van autonomie in de verre ruimte, " legt Paolo Martino uit, leidende systeemingenieur van de door ESA voorgestelde Hera-missie. "Hoewel de missie is ontworpen om volledig handmatig vanaf de grond te worden bediend, de nieuwe technologie zal worden getest zodra de kerndoelen van de missie zijn bereikt en grotere risico's kunnen worden genomen."

Hera is momenteel het onderwerp van gedetailleerd ontwerpwerk, voorafgaand aan de presentatie aan de Europese ministers van Ruimte tijdens de Space19+ Ministeriële Raad in november. Het ruimtevaartuig zal een kleine maan met een diameter van 160 m van de Didymos-asteroïde met een diameter van 780 m onderzoeken. in de nasleep van een baanbrekend planetair verdedigingsexperiment.

"Het ruimtevaartuig zal werken als een autonoom voertuig, het samenvoegen van gegevens van verschillende sensoren om een ​​coherent model van de omgeving op te bouwen, " zegt ESA begeleiding, navigatie en controle (GNC) ingenieur Jesus Gil Fernandez.

"Hera's meest cruciale gegevensbron is de Asteroid Framing Camera, gecombineerd met input van een star-tracker, laserhoogtemeter, thermische infraroodcamera plus traagheidssensoren inclusief versnellingsmeters."

De resulterende autonomie zou Hera veilig moeten laten navigeren tot op 200 meter van het oppervlak van de kleinere asteroïde 'Didymoon', waardoor wetenschappelijke waarnemingen met een hoge resolutie tot 2 cm per pixel kunnen worden verkregen - met name gericht op de inslagkrater die is achtergelaten door het Amerikaanse DART-ruimtevaartuig dat op Didymoon is neergestort om zijn baan om te leiden.

GNC-ingenieur Massimo Casasco voegt toe:"Alle andere deep-space-missies, ter vergelijking, een duidelijke bestuurder op aarde hebben gehad, met navigatiecommando's gepland bij missiecontrole in ESA's European Space Operations Centre, voordat het uren later naar het ruimtevaartuig wordt ge-uplinkt. Tijdens de experimentele fase van Hera, gelijkwaardige beslissingen zullen autonoom in realtime aan boord worden genomen."

Voor maximale navigatiebetrouwbaarheid, Hera's belangrijkste boordcomputer zal worden aangevuld met een speciale beeldverwerkingseenheid - op dezelfde manier waarop desktop-pc's vaak afzonderlijke grafische kaarten hebben - terwijl machinevisietechnieken worden overgenomen van industriële camera's die op productielijnen worden gebruikt.

Op afbeeldingen gebaseerde navigatie

Gepland voor lancering in oktober 2023 en drie jaar later zijn doel Didymos nabij-aarde-asteroïden bereikt, De door ESA voorgestelde Hera-missie zal zichzelf in drie verschillende modi navigeren. Bij de eerste benadering zal de belangrijkste asteroïde verschijnen als een van de vele andere heldere ster.

"Van ver, het zal maar een klein puntje zijn, " legt Jezus uit. "We zouden verschillende foto's moeten maken om zijn beweging tegen het achtergrondsterrenveld te zien."

Deze beeldvormingstechniek is vergelijkbaar met de techniek die is ontwikkeld om kleine stukjes ruimteschroot te detecteren en om uiteindelijk toekomstige missies voor het verwijderen van robotafval met hen mogelijk te maken.

De volgende modus zal de dominante zijn voor het grootste deel van Hera's missie tussen 30 km en 8 km afstand, met de grotere 'Didymain'-asteroïde ingelijst in zijn camerabeeld als algemeen referentiepunt.

"Deze modus hangt af van het feit dat de grote asteroïde kleiner is dan ons totale gezichtsveld van de camera, en het contrast detecteren van de randen die plaats maken voor de ruimte daarachter, "zegt Massimo. "We maken gebruik van zijn ruwweg bolvorm om het in een cirkel te passen en de zichtlijnafstand tussen het ruimtevaartuig en het 'zwaartepunt' van de asteroïde te schatten."

Didymain is geselecteerd als navigatiereferentiepunt omdat het het lichaam is waar de meeste zwaartekracht van het systeem is geconcentreerd, en er is veel meer over bekend dan de kleinere Didymoon.

Deze methode wordt echter onwerkbaar zodra Hera dichter dan 8 km van Didymain komt, en de asteroïde vult zijn gezichtsveld. Dan komt de meest ambitieuze navigatiemodus van allemaal, gebaseerd op autonome functie-tracking zonder absolute referentie.

Jesus legt uit:"Dit zal een kwestie zijn van het in beeld brengen van dezelfde kenmerken - zoals keien en kraters - in verschillende foto's om een ​​idee te krijgen van hoe we bewegen ten opzichte van het oppervlak, gecombineerd met andere informatie, waaronder accelerometers aan boord voor gegist bestek en de thermische infraroodcamera om over de nachtzijde van de asteroïde te vliegen."

Feature tracking zal ook worden gebruikt om de massa van Didymoon te meten, door de 'wobble' te meten die het zijn ouder veroorzaakt, ten opzichte van het gemeenschappelijke zwaartepunt van het algehele binaire Didymos-systeem. Dit wordt bereikt door in de loop van de tijd kleine variaties op meterschaal in de rotatie van vaste oriëntatiepunten rond dit zwaartepunt te identificeren.

In praktijk, er zullen ongetwijfeld verrassingen zijn, merkt Massimo op:"Een vlakker oppervlak zou erger zijn dan iets met veel rotsblokken met een hoog contrast, waardoor het eenvoudiger wordt om kenmerken ondubbelzinnig te identificeren. Plus een minder bolvormig lichaam met veel onregelmatige vormen en schaduwen zou een grotere uitdaging zijn voor het soort randdetectie dat we gebruiken."

Europees ontwikkelingsteam

GMV in Spanje leidt de ontwikkeling van dit vision-based navigatiesysteem, ondersteund door OHB in Zweden met andere partners, waaronder GMV in Polen en Roemenië. Een replica van de Asteroid Framing Camera waarop Hera zal vertrouwen, wordt momenteel gebruikt voor het praktisch testen van de software, samen met een model met hoge resolutie van Didymos.

Deze technologie zal breder worden gebruikt in veel andere missies, inclusief ESA's geplande Space Servicing Vehicle voor het opknappen van satellieten en het verwijderen van ruimtepuin, evenals de ambitieuze Mars Sample Return-missie, waarvan de terugvlucht een autonoom rendez-vous in een baan om Mars zal inhouden. uiteindelijk, eenmaal bewezen, deze technologie zou een belangrijke bouwsteen zijn voor goedkope planetaire sondes in de verre ruimte.