美国宇航局光学导航技术可以简化行星探索

• 当航天器和航天器探索未知世界时，在缺乏GPS等传统导航系统的情况下，找到导航这些天体的新方法至关重要。
• 依靠光学航天器和其他数据的导航可以帮助航天器传感器——在某些情况下，甚至是航天器自己——在肉眼难以导航的区域找到方向。
• 美国宇航局的三项研究人员正在通过在3D环境建模、利用摄影导航和深度学习图像分析方面取得前沿进展，进一步推动光学导航技术的发展。

在月球表面这样昏暗、荒芜的环境中，人们很容易迷路。由于肉眼无法洞察的地标，太空车和探测车必须依靠其他方式来规划路线。

随着NASA开展从月球到火星的任务，包括探索月球表面和踏上火星的第一步，找到这些新目标上导航的新颖而有效的方法将至关重要。这就是光学导航的武之地——一种利用传感器数据帮助邻近新区域的技术。

美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达太空飞行中心是光学导航技术的先导。例如， GIANT（戈达德图像分析和导航工具）通过生成地表的3D地图并计算与目标的精确距离，帮助OSIRIS-REx任务安全地在小行星Bennu上采集样本。

目前，戈达德的三个研究团队正在进一步推动光学导航技术。

虚拟世界开发

美国宇航局戈达德航天中心实习生克里斯·纳姆（Chris Gnam）负责开发一款名为Vira的建模引擎，该引擎渲染大型3D环境的速度比GIANT快100倍左右。这些环境数字化可用于临时着陆区、模拟太阳辐射等。

虽然消费级图形引擎（例如用于视频游戏开发的引擎）可以快速渲染大型环境，但大多数都无法提供科学分析所需的细节。对于计划登陆行星的科学家来说，每个细节都至关重要。

“Vira 将消费图形建模器的速度和效率与巩固的科学精度相结合，”Gnam 说道。“这个工具激发了科学家能够快速模拟行星表面等复杂的环境。”

Vira建模引擎正在协助开发LuNaMaps（月球导航地图）。该项目旨在提高月球和南极地区的地图质量，而南极地区是美国宇航局阿尔特弥斯任务的一个关键探索目标。

Vira 还使用光线来模拟光线在模拟环境中的行为。虽然光线追踪通常用于游戏，但 Vira 利用它来模拟太阳辐射压力，是对阳光航天器造成指示的动量。

通过照片找到自己的路

戈达德的另一个团队正在开发一种基于地平线图像的导航工具。光学导航产品设计主管 Andrew Liounis 领导这个团队，与 NASA 实习生 Andrew Tennenbaum 和 Will Driessen 以及 NASA DAVINCI任务的呼吸处理主管 Alvin Yew 一起工作。

卫星或探测车使用该算法可以拍摄一张地平线的照片，程序将其与探索区域的地图进行比较。然后，算法会输出拍摄照片的估计位置。

使用一张照片，该算法可以输出大约几千英尺的精度。当前的工作正在尝试证明使用两张或更多张照片，该算法可以准确地确定大约几千英尺的位置。

“我们从图像中提取数据点，把它们与该地区地图上的数据点进行比较，”Liounis 解释道。“这几乎就像 GPS 使用三角测量一样，但并不能让多个观察者对一个物体进行比较比较比较三角测量，不是让单个观察者进行多次观察，我们因此要弄清楚视线相交的位置。”

这种技术对于月球探索非常有用，因为月球探索很难依赖 GPS 信号来确定位置。

检测陨石坑的采矿算法

为了实现光学导航和采集过程的自动化，戈达德实习生蒂莫西·蔡斯（Timothy Chase）正在开发一种名为GAVIN（戈达德视觉和验证集成）工具套件的编程工具。

该工具有助于构建深度学习模型，这是一种经过训练可以像人脑一样处理输入的机器学习算法。除了开发工具本身之外，Chase 和他的团队还在使用 GAVIN 构建深度学习算法，该工具工具工具算法将识别光谱不足区域（例如月球）的陨石坑。

“在开发GAVIN时，我们想测试一下，”Chase解释道。“这个模型将识别低光天体上的陨石坑，这不仅有助于我们了解如何改进GAVIN，而且对阿尔忒弥斯（Artemis）等任务也很有用，太空飞船将首次探索月球南极地区——一个有大型陨石坑的黑暗区域。”

随着 NASA 继续探索太阳系以前未知的区域，类似的技术还是可以帮助行星探索至少简单的一些。无论是通过开发新世界的详细 3D 地图、使用照片导航，构建深度学习算法，这些团队的工作都可以将地球导航的便利性带到新世界。