NASA技术无需飞行员即可实现精确着陆和避险

新谢泼德（NS）助推器于2019年5月2日在NS-11上进行了第五次飞行后着陆。

在最荒凉的环境中可以找到我们太阳系中一些最有趣的研究场所-但是降落在任何行星体上已经是一个冒险的提议。随着NASA计划用机器人和载人飞行任务前往月球和火星的新位置，避免着陆在陨石坑的陡坡或巨石场上着陆对于确保安全着陆以进行其他世界的地面探测至关重要。为了提高着陆安全性，NASA正在开发和测试一套精确的着陆和避免危险技术。

激光传感器，照相机，高速计算机和复杂算法的组合将为航天器提供人造眼睛和分析能力，以找到指定的着陆区，识别潜在危险并调整航向最安全的着陆点。在太空技术任务局的“改变游戏规则”开发计划中，“安全且精确着陆-综合能力演进（SPLICE）”项目下开发的技术最终将使航天器能够避免在大半个着陆区的着陆区内避开巨石，陨石坑等。足球场已经成为相对安全的目标。

新的月球着陆技术套件称为“安全和精确着陆-综合能力演进（SPLICE）”，它将使空袭比以往任何时候都更加安全和准确。未来的月球任务可以使用NASA的高级SPLICE算法和传感器来瞄准在阿波罗任务期间无法实现的降落地点，例如危险巨石和附近有阴影的陨石坑的地区。SPLICE技术还可以帮助人类降落在火星上。

在即将执行的任务中，SPLICE的四个主要子系统中的三个将在Blue Origin New Shepard火箭上进行首次综合测试飞行。当火箭的助推器返回地面后，到达地球大气层和太空之间的边界后，SPLICE的地形相对导航，导航多普勒激光雷达以及下降和着陆计算机将在助推器上运行。每个人的工作方式都与接近月球表面时的工作方式相同。

第四种主要的SPLICE组件，即危险探测激光雷达，将来会通过地面和飞行测试进行测试。

跟随面包屑

当选择勘探站点，部分代价是为了保证足够的空间航天器着陆。该区域的大小称为着陆椭圆形，揭示了传统着陆技术的不精确本质。1968年，阿波罗11号的目标着陆区域约为11英里乘3英里，宇航员驾驶着陆器。随后的火星机器人任务是为自主着陆而设计的。十年后，维京人以174英里乘62英里的目标椭圆到达了“红色星球”。

如图所示，阿波罗11号着陆椭圆为11英里乘3英里。精确的着陆技术将大大减少着陆面积，从而允许多个任务降落在同一地区。

技术得到了改善，随后的自主着陆区的面积减小了。2012年，好奇号漫游者的降落椭圆降到了12英里乘4英里。

能够精确定位着陆点将有助于未来的任务将目标区域指定为以前认为对无人驾驶着陆过于危险的地点进行新的科学探索。它还将使高级补给任务能够将货物和补给品发送到一个地点，而不是分散在数英里之内。

每个行星体都有其独特的条件。这就是为什么“ SPLICE旨在与降落在行星或月球上的任何航天器集成的原因，”项目经理Ron Sostaric说。Sostaric总部位于休斯敦的NASA约翰逊航天中心，他解释说该项目跨越了该机构的多个中心。

地形相对导航通过在下降过程中将实时图像与已知的表面特征图进行比较来提供导航测量。

他说：“我们正在建造的是一个完整的下降和着陆系统，该系统将为Artemis未来的登月任务提供服务，并且可以适应火星。”“我们的工作是将单个组件放在一起，并确保它可以正常运行。”

大气条件可能有所不同，但下降和降落的过程是相同的。对SPLICE计算机进行了编程，以激活距地面数英里的地形相对导航。机载相机拍摄表面，每秒最多拍摄10张照片。这些被连续地输入计算机，计算机上预装了着陆场的卫星图像和已知地标的数据库。

算法搜索实时图像中的已知特征，以确定航天器的位置，并安全地将航天器导航到其预​​期的着陆点。这类似于通过地标（例如建筑物）导航，而不是通过街道名称导航。

以相同的方式，相对地形导航可以识别航天器的位置，并将该信息发送到制导和控制计算机，该计算机负责执行通往地面的飞行路径。计算机将大概知道航天器何时应该接近其目标，就像放置面包屑然后将它们跟随到最终目的地一样。

这个过程一直持续到地面以上约四英里。

激光导航

知道航天器的确切位置对于计划和执行动力下降以精确着陆所需的计算至关重要。下降途中，计算机打开导航多普勒激光雷达以测量速度和距离测量值，从而进一步增加来自地形相对导航的精确导航信息。激光雷达（光检测和测距）的工作方式与雷达大致相同，但使用光波而不是无线电波。三束激光束，每个束束都像铅笔一样窄，指向地面。这些光束发出的光从表面反射回来，反射回航天器。

NASA的导航多普勒激光雷达仪器由一个底盘和一个带有三个望远镜的光学头组成，底盘装有电光和电子组件。

反射光的传播时间和波长用于计算飞行器离地面有多远，前进方向以及移动速度。对于所有三个激光束，每秒进行20次这些计算，并将其输入到引导计算机中。

多普勒激光雷达在地球上成功运行。但是，这项技术的共同发明人，弗吉尼亚州汉普顿市NASA兰利研究中心的首席研究员Farzin Amzajerdian负责解决太空使用方面的挑战。

他说：“关于从月球和火星表面传出多少信号还存在一些未知数。”如果地面上的材料反射性不强，则传回传感器的信号将变弱。但是Amzajerdian相信激光雷达的性能将优于雷达技术，因为激光频率比无线电波高几个数量级，从而可以实现更高的精度和更有效的传感。

兰利工程师约翰·萨维奇（John Savage）在用一块金属制成的多普勒激光雷达组件的一部分进行了检查。

负责管理所有这些数据的主力机是下降和着陆计算机。来自传感器系统的导航数据被馈送到机载算法，该算法计算出新的路径以进行精确着陆。

电脑强国

下降和着陆计算机同步单个SPLICE组件的功能和数据管理。它还必须与任何航天器上的其他系统无缝集成。因此，这个小型的计算中心可以防止精确着陆技术使主要飞行计算机过载。

早期发现的计算需求明确表明现有计算机不足。NASA的高性能航天计算处理器可以满足需求，但距离完成还需要几年的时间。需要一个临时解决方案来使SPLICE准备在Blue Shepard火箭上进行Blue Origin的首次亚轨道火箭飞行测试。新计算机的性能数据将有助于最终替代它。

SPLICE硬件正在准备进行真空室测试。SPLICE的四个主要子系统中的三个将在Blue Origin New Shepard火箭上进行首次综合测试飞行。

精确着陆技术集成经理约翰·卡森（John Carson）解释说：“替代计算机具有非常相似的处理技术，不仅可以通知未来的高速计算机设计，而且还可以用于未来的下降和着陆计算机集成工作。”

展望未来，像这样的测试任务将有助于为NASA和商业提供商在月球和其他太阳系物体表面上形成安全的着陆系统。

卡森说：“安全，准确地降落在另一个世界上仍然面临许多挑战。”“目前还没有商业技术可以购买。将来的每一次水面飞行任务都可以使用这种精确的着陆能力，因此NASA现在就可以满足这一需求。而且我们正在促进与我们的行业合作伙伴之间的转移和使用。”