NASA's Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) ruimtevaartuig heeft zijn geplande missieduur ver overschreden, onthullend dat de maan verrassingen in petto heeft:ijsafzettingen die kunnen worden gebruikt om toekomstige verkenningen van de maan te ondersteunen, de koudste plaatsen in het zonnestelsel in permanent beschaduwde gebieden bij de maanpolen, en dat het een actieve wereld is die krimpt, maanbevingen genereren en veranderen voor onze ogen. LRO heeft het oppervlak tot in detail in kaart gebracht, het retourneren van miljoenen beelden van een grimmig mooi maanlandschap en de weg vrijmaken voor toekomstige menselijke missies onder het Artemis-programma van NASA.

In het voorjaar van 2018, LRO's miniatuur traagheidsmeeteenheid (MIMU), een kritische sensor die wordt gebruikt om de instrumenten van het ruimtevaartuig te richten, werd uitgeschakeld om zijn resterende levensduur te behouden na tekenen van verval te vertonen als gevolg van natuurlijke veroudering in de barre omgeving van de ruimte. De MIMU is als een snelheidsmeter. Het meet de rotatiesnelheid van de LRO. Zonder het, LRO was gedwongen om alleen te vertrouwen op gegevens van sterrenvolgers - videocamera's met beeldverwerkingssoftware die oriëntatie afleidt op basis van sterrenkaarten - om het ruimtevaartuig te richten en te heroriënteren. "Dit beperkte de mogelijkheid om het ruimtevaartuig te heroriënteren (sleed) voor wetenschappelijke doeleinden, " zei Julie Halverson, Lead Systems Engineer in Space Science Mission Operations bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland.

"Het heroriënteren van het ruimtevaartuig om zijaanzichtgegevens te krijgen, is waardevol voor wetenschappers, omdat het ons in staat stelt te meten hoe licht anders van de maan weerkaatst, afhankelijk van de weergave van het instrument, " zei Noach Petro, Projectwetenschapper voor LRO bij NASA Goddard. "Dit wordt de fotometrie van het oppervlak genoemd. Bovendien, de camera maakt zijaanzichten om 3D-beelden van het oppervlak te maken en om de perspectiefbeelden van de maan te verzamelen die helpen bij het ontwarren van geologische relaties." Om de LRO weer te laten draaien, NASA-ingenieurs hebben een nieuw algoritme ontwikkeld dat de rotatiesnelheid van de LRO kan schatten door star-tracker-metingen te combineren met andere informatie die beschikbaar is op de vluchtcomputer van LRO.

Om de nieuwe snelheidsmeter van LRO goed te laten werken, de sterrenvolgers moeten een onbelemmerd zicht op de sterren behouden, die kan worden geblokkeerd door de aarde of de maan, of de schittering van de zon. Anders, het is onmogelijk om de oriëntatie te bepalen of de rotatiesnelheid van het ruimtevaartuig te schatten. Door ervoor te zorgen dat de sterrenvolgers altijd onbelemmerd zijn tijdens wetenschappelijke manoeuvres, waren veel wetenschappelijke waarnemingen die gemakkelijk met de MIMU konden worden gedaan onmogelijk om zonder deze uit te voeren. Om deze anders gemiste kansen terug te winnen, Goddard, NASA's Engineering Safety Center (NESC) en de Naval Postgraduate School (NPS) in Monterey, Californië, opnieuw samen in hun lange geschiedenis van coöperatief onderzoek om snel een verzameling nieuwe, revolutionaire methoden om LRO in staat te stellen de maan optimaal te blijven verkennen.

"Het algoritme dat we voor LRO hebben ontwikkeld, heet Fast Maneuvering of 'FastMan' en het werkt in combinatie met LRO's op star-tracker gebaseerde controller, " zei Mark Karpenko, een Research Associate Professor bij NPS en de FastMan Project Lead. "De manoeuvres sturen op natuurlijke wijze rond heldere objecten, net als het vermijden van obstakels in een zelfrijdende auto." Een computeralgoritme is een reeks instructies om gegevens te verwerken. Karpenko was in staat om FastMan te bouwen met behulp van softwaretools die zijn gebaseerd op dezelfde tools die eerder door een NASA-NPS-team werden gebruikt om het internationale ruimtestation te heroriënteren door krachten uit de ruimteomgeving te combineren met zijn gyroscopen in plaats van brandstof te verbranden door de stuwraketten af ​​te vuren . Deze "Zero Propellant Manoeuvre" is vergelijkbaar met een overstagmanoeuvre die wordt gebruikt bij het zeilen.

"De Lunar Reconnaissance Orbiter ondergaat regelmatig speciale zwenkbewegingen terwijl hij om de maan draait en ons vermogen om deze zwenkingen te plannen wordt beperkt door de tijd die nodig is om ze uit te voeren, " zei John Keller, Plaatsvervangend projectwetenschapper voor LRO bij NASA Goddard. Met FastMan, LRO was in staat om bijna 200 extra zwenkbewegingen uit te voeren die anders niet hadden kunnen worden uitgevoerd.

"Werkelijk, de meeste prestatieverbeteringen die we tot nu toe hebben bereikt, waren door de resultaten van FastMan te gebruiken om wat we een 'taxi-manoeuvre' noemen, te creëren, " zei Karpenko. Omdat de volledige FastMan wijzigingen in de vluchtsoftware van LRO vereiste, Karpenko ontwierp de taximanoeuvre om de meeste doelstellingen van FastMan te bereiken, terwijl er geen aanpassingen aan de vluchtsoftware nodig waren. "Helaas, totdat we de vluchtsoftware konden updaten, Ik moest in de lus zijn, " zei Karpenko. De volledige FastMan-manoeuvre is volledig autonoom.

De eerste FastMan-vlucht werd eind juli 2020 in een baan om de aarde uitgevoerd en stelde de LRO-camera in staat om een van de zeven wetenschappelijke instrumenten van LRO, om een ​​zijaanzicht van de Triesnecker-krater 25 procent sneller te krijgen dan een taxi zou hebben gedraaid. Met deze nieuwe algoritmen LRO kan weer snel opzij kijken, en het ruimtevaartuig is in goede gezondheid, terwijl alle instrumenten nog steeds gegevens verzamelen. "LRO is nu in jaar 11 van wat oorspronkelijk een missie van twee jaar zou zijn, " zei Petro. "We controleren alle LRO-systemen regelmatig op tekenen van degradatie of verandering. Brandstof kan onze snelheidsbeperkende factor zijn, Volgens de huidige schattingen hebben we nog minstens vijf jaar brandstof aan boord, zo niet meer."

In 2010, NPS, NESC en Goddard werkten samen om de eerste minimale heroriëntatiemanoeuvres ooit in een baan om de aarde te implementeren. Dit innovatieve werk werd gedaan als een demonstratie van een vlucht aan het einde van de levensduur op het TRACE-ruimtevaartuig. Vandaag, de maanwetenschappelijke gemeenschap profiteert van dit baanbrekende werk. "De door NPS ontwikkelde zwenkende algoritmen hebben LRO al in staat gesteld om meer wetenschap te verzamelen, " legde Neil Dennehy uit, NASA Technical Fellow voor begeleiding, Navigatie en controle. "Ik verwacht dat onze industriepartners in de toekomst ook van deze technologie kunnen profiteren."