NASA rozvíjí technologii založenou na laserech, která umožní přistát landeru na Měsíci či Marsu s naprostou přesností. Tato technologie by měla podstoupit důkladné testy na následujícím suborbitálním skoku zařízení New Shepard od firmy Blue Origin. Počítá se také s tím, že bude nasazeno na několika komerčních landerech, které mají v rámci kontraktu CLPS dopravit na Měsíc vědecké přístroje a technologické demonstrátory. O technologii stojí i automobilové firmy, které ji chtějí využít pro své autonomně řídící automobily.

Inženýři z NASA se snaží najít metodu, jak bezpečně zajistit mnoho přistání na Měsíci a jednou i na Marsu, kam bude potřeba před pilotovanou výpravou dopravit tuny vědeckého vybavení a systémů podpory života. Pro lepší pochopení nám pomůže menší příklad. Zatím nejpřesnějším americkým přistáním na povrchu Marsu se může chlubit vozítko Curiosity. Jeho přistávací elipsa byla 19,3 kilometru dlouhá a 6,4 kilometru široká. V budoucnu bude potřeba zajistit přistání několika zásobovacích či pilotovaných lodí se vzájemnými rozestupy v řádu desítek či stovek metrů. To bude možné jen s použitím přesných přistávacích systémů a prostředků, které se dokáží vyhnout riziku.

Konfigurace elektroniky na testovacím exempláři NDL pro softwarové testy na dálku v Langley Research Center.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Budoucí landery mají využívat celou řadu nových technologií – od senzorů a kamer nové generace, přes specializované algoritmy a výkonné palubní počítače, které mají spolupracovat jako dokonale sehraný orchestr. NASA zorganizovala vývoj těchto technologií v rámci projektu SPLICE (Safe and Precise Landing – Integrated Capabilities Evolution, což se dá volně přeložit jako Bezpečné a přesné přistání – Vývoj integrovaných schopností). Celý vývoj probíhá pod hlavičkou vývojového programu Game Changing Development, který provozuje Ředitelství misí pro kosmické technologie.

A přestože se SPLICE připravuje na svůj první suborbitální testovací let na nadcházejícím skoku s Blue Origin, některé z technologií, které se na něm používají (a které se během tohoto vývoje objevily), pomalu pronikají do komerčního sektoru. Lidar je detekční systém podobný radaru – jen používá světelné paprsky místo radiových vln, aby detekoval objekty, určil jejich tvar a vypočítal jejich vzdálenost. SPLICE využívá novou verzi tohoto systému – navigační Dopplerovský lidar, zkráceně NDL (navigation Doppler lidar), který toho zvládne ještě více. Je schopen detekovat pohyb a rychlost vzdálených objektů, ale i vlastní pohyb landeru vůči povrchu – ať už jde o rychlost, výšku či rotaci v různých osách.

Lidar získává data z laserových paprsků odražených od povrchu.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Jedním z otců systému NDL je Farzin Amzajerdian, který je hlavním vědeckým pracovníkem tohoto projektu na Langley Research Center v Hamptonu, stát Virginia. Důležité je, že frekvence laseru, který tento systém používá, je nejméně o tři řády vyšší, než v případě radarů. „Vyšší frekvence přináší přesnější data a potenciálně efektivnější a kompaktnější senzory,“ vysvětluje Amzajerdian a pokračuje: „Údaje o rychlosti jsou získávány s pomocí Dopplerova jevu.“ To znamená, že dojde ke změně frekvence laserového paprsku odraženého od povrchu při sestupu landeru. Ten tak má přesná data, která mu říkají, jak rychle se blíží k povrchu a pod jakým úhlem. „Navigační Dopplerovský lidar by se měl stát standardním senzorem na většině přistávacích systémů NASA,“ uvedl Glenn Hines, hlavní inženýr NDL a dodal: „Demonstrační jednotky tohoto systému budou otestovány na suborbitálním nosiči koncem tohoto měsíce a na dvou lunárních landerech v příštím roce.“

Systém NDL prošel testy v rámci programu Flight Opportunities, aby mohl technologicky dozrát pro použití na budoucích lunárních misích.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Steve Sandford, bývalý ředitel Langleyho střediska také věří, že technologie NDL může najít cenná uplatnění i v pozemských aplikacích. On sám podporoval vývoj NDL, když stál v čele jmenovaného střediska NASA a měl možnost vidět první výsledky na vlastní oči. Poté, co úřad opustil, založil v Hamptonu společnost Psionic LLC. V roce 2016 si tato firma dohodla licenční výrobu Dopplerovského lidaru s Langley Research Center. Firma rovněž s tímto střediskem uzavřela dohodu, aby mohla využívat vybavení a odborné znalosti NASA při vývoji komerční verze technologie. Ta je určena pro použití na této planetě a profitovat z toho bude i NASA – celý systém se tím důkladně prověří a získané zkušenosti se budou hodit třeba při přistáních na Měsíci.

Společnost Psionic zaměstnává i Diega Pierrotteta, což je další spoluautor NDL, který pracoval pro NASA a nyní je hlavním inženýrem firmy Psionic. Sandford uvedl, že práce, kterou NASA dělala celá desetiletí umožňuje společnosti Psionic vyvinout životaschopný výrobní proces pro vstup na trh. Firma má zákazníky i z armády, kteří chtějí tuto technologii použít pro snížení nárazu při přistání, zlepšení bezpečnosti při tankování za letu, nebo detekci dronů. Kosmické firmy zase prozkoumávají možnosti aplikace této technologie na setkávací manévry či na činnosti v blízkosti jiných objektů, ale i pro přesné přistávání na Měsíci či Marsu.

Díly systému SPLICE připravené k inspekci před letovými testy.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

Zapomenout nesmíme ani na automobilový průmysl, ve kterém řada firem pracuje na samořídících autech, která mohou tento systém využívat jak k navigaci na cestě, tak i k vyhnutí se kolizi. „Vysoké rozlišení Dopplerovského lidaru umožňuje odlišit objekty vzdálené i několik set metrů, které od sebe navzájem dělí pouze pár centimetrů,“ uvedl Sanford. To je důležité třeba když chodec přechází silnici, nebo nákladní auto projíždí před budovou. Algoritmy potřebují přesná data, kde se daný objekt (člověk / budova / náklaďák) nachází a zda nestojí v cestě auta. S těmito údaji pak může být riziko nehody značně eliminováno díky včasnému zpomalení či zastavení. Aby toho nebylo málo, tak výhodou tohoto systému je i skutečnost, že detekuje pouze své vlastní světlo a ignoruje paprsky z jiných lidarů.

Vlevo princip klasického skenovacího lidaru, vpravo flash lidaru.
Zdroj: http://asc3d.com/

Systém SPLICE je produktem mnohaletého vývoje. V první fázi NASA testovala různé typy 3D snímacích lidarů jako třeba global shutter flash lidar, který také nachází uplatnění v samořídících autech. Na rozdíl od jednolitého proudu laserových pulsů v tradičním radaru, global shutter flash lidar získává data z pixelového pole a k vytvoření celé mapy používá jediný laserový puls. To umožňuje získávat výsledky mnohem rychleji. „Jediným laserovým pulsem získáte desítky tisíc pixelů,“ říká Amzajerdian.

Tento systém také výrazně snižuje výpočetní zátěž, jelikož jsou data získána ve stejnou chvíli ve stejném místě – není potřeba vypočítávat žádnou rychlost. V roce 2014 NASA prokázala schopnost autonomního přistání s využitím předchůdce projektu SPLICE. Global shutter flash lidar vynalezli zaměstnanci firmy Advanced Scientific Concepts Inc. (ASC) v kalifornském městě Santa Barbara.

Navigační Dopplerovský lidar tvoří konstrukce obsahující elektro-optické a elektronické součástky a optickou hlavu se třemi teleskopy.
Zdroj: https://www.nasa.gov/

V době zapojení NASA už vývoj běžel,  ale k dokončení projektu pomohlo několik let financování z programu NASA Small Business Innovation Research (SBIR) a dalších projektových fondů.

„Spolupracovali jsme s nimi po celou dobu tohoto procesu,“ vzpomíná Amzajerdian a dodává: „Když jsme objevili problém, nebo něco, co potřebovalo vylepšit, snažili jsme se to pochopit a vysvětlit firmě, jak to vidíme. Někdy jsme jim také předložili vlastní návrhy.“ V současné době je již flash lidar firmy ASC v kosmickém prostoru – na palubě sondy OSIRIS-REx. Energeticky úspornou verzi kamerové technologie, která vznikla zmenšením z vesmírné verze, si koupil také neupřesněný, ale prý významný výrobce automobilových dílů. Údajně ji chce využít v autonomních autech.

Přeloženo z:
https://www.nasa.gov/

Zdroje obrázků:
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/lrc_021420_ndl_ne1402.jpg
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/lrc-2020-h1_p_ndl-071600003.jpg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/splice_web_image_4_final.jpg?itok=Fd43pM4i
https://www.nasa.gov/sites/default/files/thumbnails/image/afrc2020-0100-30.jpg
https://www.nasa.gov/…/thumbnails/image/splice_web_image_2_final.jpg?itok=VSWToFhw
http://asc3d.com/wp-content/uploads/2020/01/Flash-LIDAR-Diagram.jpg
https://www.nasa.gov/…/public/thumbnails/image/splice_web_image_1_final.jpg?itok=u0YFuEzN