NASA新“月球背包”可生成實時3D地形圖以幫助月球探險者

運動學導航和制圖背包(KNaCK)是一個移動激光雷達掃描儀，其采用了一種利用光探測和測距激光測量距離的遙感技術。它就像一個徒步旅行背包一樣可以穿在身上，使用一種稱為頻率調制連續(xù)波(FMCW)激光雷達的創(chuàng)新類型來提供每秒數(shù)百萬數(shù)據(jù)點的多普勒速度和范圍。這些測量點產生一個實時導航系統(tǒng)，進而為探險者提供一個3D“點云”或周圍環(huán)境的高分辨率表示。

行星科學家Michael Zanetti博士在阿拉巴馬州亨茨維爾的NASA馬歇爾太空飛行中心領導KNaCK項目，他認為這是測量人員使用的激光測距儀或幫助智能汽車避免碰撞的令人難以置信的敏感接近警報器的超級版本。

“基本上，該傳感器是一個用于導航和科學繪圖的測量工具，它能以厘米級的精度創(chuàng)建超高分辨率的3D地圖并賦予它們豐富的科學背景。另外，它還將幫助確保宇航員和漫游車在月球這樣的GPS否認的環(huán)境中的安全、識別到遙遠的地標的實際距離并實時顯示探險者已經走了多遠及還有多遠才能到達目的地，”Zanetti說道。

這是一個關鍵的挑戰(zhàn)，因為Artemis時代的探險家們正在準備進行第一批現(xiàn)代月球任務以及有史以來第一次前往月球南極。在那里，太陽從未在月球地平線以上3度升起，這使得大部分地形處于深深的陰影之中。

KNaCK項目于2020年在NASA的Early Career Initiative的資助下啟動，通過跟漢茨維爾的Torch Technologies Inc.合作來開發(fā)背包原型和相關的導航算法。據(jù)悉，該算法允許在沒有GPS的情況下進行精確測繪。該項目的商業(yè)供應商--加利福尼亞州山景城的Aeva則正在提供FMCW-激光雷達傳感器和支持。

據(jù)了解，探險者可以在漫游期間和徒步旅行時通過使用KNaCK精確地繪制地形圖--包括深溝、山脈和洞穴等地形。激光雷達甚至可以在漆黑的環(huán)境中工作，這使得宇航員不必拖著笨重的照明裝置到處走。

“作為人類，我們傾向于根據(jù)地標來確定自己的方向--一個特定的建筑物，一片樹林。（但）這些東西在月球上并不存在。KNaCK將不斷地使穿越地表的探險者確定他們的運動、方向和對遠處山峰或他們的行動基地的定位。他們甚至可以標記出他們發(fā)現(xiàn)一些獨特的礦物或巖層的具體地點，這樣其他人就可以很容易地返回進行進一步研究，”Zanetti說道。

這對于在時鐘上的宇航員來說是至關重要的，他們的遠足會受到他們衣服中氧氣供應的限制。Zanetti表示，KNaCK的超高分辨率精度--比傳統(tǒng)的月球地形圖和高程模型大一個數(shù)量級--使其成為在距離任務控制中心238,900英里之外進行科學和任務操作的重要資源。

據(jù)悉，該硬件將于4月下旬在NASA位于新墨西哥州Kilbourne Hole的太陽系探索研究虛擬研究所(SSERVI)展開另一次重要的實地測試。該團隊之前曾于2021年11月在那個古老的火山口（估計有25000-80000年的歷史）對KNaCK系統(tǒng)進行過測試。另外，他們最近還用它對NASA佛羅里達州肯尼迪航天中心的6英里長的海堤沙丘進行了3D重建，這些沙丘保護著其主要的火箭發(fā)射臺。肯尼迪和馬歇爾的工程師們將繼續(xù)使用KNaCK來評估風暴對沙丘侵蝕的影響，并在進一步完善系統(tǒng)的同時確保未來飛行任務的安全。

接下來，KNaCK團隊將努力使硬件小型化--目前背包原型重約40磅--并使敏感的電子裝置能免受微重力和太陽輻射的負面影響。