面向下一代着陆器的视觉驱动月球导航系统

2015年7月，NASA发布《NASA技术路线图——TA9：进入、下降和着陆系统（EDL）》。其中规划未来数年EDL目标：开发新创新技术，不仅用于月球，也用于整个太阳系未来探索。为实现这些目标，NASA授予Charles Stark Draper实验室（简称Draper）合同，开发测试其多环境导航器（DMEN），采用基于视觉的导航技术，引导小型飞行器登月。

我们采访了Draper首席技术员工Brett Streetman博士，了解DMEN。

Tech Briefs：为何命名DMEN？

Streetman： 该名代表Draper多环境导航器，因我们构建在Draper大量既有工作基础上，不只用于空间导航，也用于地球和轨道。大量工作源自制导伞翼视觉导航，我们尝试相对着陆点穿越大气层导航飞行器下降。我们将该技术发展用于太空。此外，我们使用为贴近地面飞行的小型无人机开发的技术，无论室内室外。进而，我们为国际空间站跟踪宇航员做过工作。我们为他们制造DMEN携带跟踪站内位置。我们汇聚室内、室外、地面、空中、太空所有那些技术，用于导航小型月球着陆器。

Tech Briefs：能描述设备吗？

Streetman： 我们搭乘World View Enterprises气球在亚利桑那州108,000英尺高空测试DMEN。飞行设备有两个相机。测试我们对未来飞行感兴趣的视点和镜头尺寸。有一个向下相机和略微前向相机。输出进内部开发传感板。相机数据与其他传感器数据结合送飞行计算机运行算法。

图1. Draper导航器内部技术是精确月球着陆所需类型。（图片来源：Draper）

原型重约3kg，约12英寸宽×10英寸高×10英寸深。相机镜头安装在盒子外部但包含在该尺寸窗口内。

Tech Briefs：导航技术基础是什么？

图2. Draper在World View Enterprises为NASA进行的亚轨道飞行测试中展示准确导航气球能力。（图片来源：World View Enterprises）

Streetman： 我们主要开发处理图像以估算相机位置的软件。有几种不同算法——本质上一个做视觉里程计，逐帧跟踪特征判断相对观察场景移动。我们也通过加入惯性测量组件增强性能。对于绝对位置测量技术，我们拍摄高空图像与卫星图像数据库比对，为同一精确场景中特征绝对位置找到匹配。

Tech Briefs：惯性测量角色是什么？

Streetman： 惯性测量系统用标准三轴加速度计和三轴陀螺仪。增加鲁棒性和第二信息流帮助预测下一帧图像显示内容。结合这两类信息，能获得更准确测量。外太空飞行器不只静止——在移动旋转。所以地面视图随前后运动和旋转变化。惯性测量让你跟踪图像捕获间那些变化。你能基于当前和上一帧图像间发生什么做预测。通过比较你期望在下一帧看到什么和该图像如何偏离预期，系统准确度提升。

Tech Briefs：光学有特殊之处吗？

图3. Draper新视觉导航系统在亚利桑那州上空108,000英尺飞行测试。（图片来源：Draper）

Streetman： 这些演示中光学无特殊特性。我们买现货相机和镜头测试算法软件。没买空间级光学或实际可能发射入太空的东西。现货便宜光学对我们测试有效。

这些测试不必需极高成像率，所以不用全局或卷帘快门。实际太空操作设计时需更高精度，那时须考虑此点。

Tech Briefs：能总结项目现状吗？

Streetman： 总体上，我们旨在开发小型系统有效引导月球着陆和类似操作。仅用被动图像和惯性传感，可开发更小系统。但与用主动信号如激光雷达或雷达技术比有局限。可权衡缩小尺寸重量，但失去一些能力——如在黑暗或浓阴影中操作。被动和主动传感器间有权衡。但被动传感器能缩小准确导航月球等地所需系统规模。例如上次NASA月球大推进——自主着陆危险规避技术（ALHAT）——开发大传感器套件含超大主动闪光激光雷达，但比我们大约40倍。虽在地球飞行，未去月球。

我们预测基于DMEN系统的着陆器将在未来太空探索中极具前景。

本文由Ed Brown撰写，光子学与成像技术副编辑。