Sử dụng hệ thống định vị giống Tesla, OSIRIS-REx thu thập mẫu đất 4.5 tỷ năm tuổi

FILE - This undated image provided by NASA shows the asteroid Bennu seen from the OSIRIS-REx spacecraft. On Sunday, Sept. 24, 2023, the OSIRIS-REx spacecraft will fly by Earth and drop off what is expected to be at least a cupful of rubble it grabbed from Bennu, closing out a seven-year quest. (NASA/Goddard/University of Arizona/CSA/York/MDA via AP, File)

Hành trình tiên phong của NASA với nhiệm vụ OSIRIS-REx vừa thành công trở về từ chuyến đi đến sao hỏa Bennu. Đây là nhiệm vụ đầu tiên của một cơ quan không gian Mỹ nhằm thu thập mẫu đá tinh khiết, trước khi quay lại Trái Đất sau chuyến đi kéo dài 3 năm. Mẫu đá đã an toàn tới trái thử nghiệm và huấn luyện Utah của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ vào Chủ nhật vừa qua.

Đáng kinh ngạc hơn nữa, chiếc tàu vũ trụ đã thực hiện thao tác Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism (TAGSAM) tự động thông qua hệ thống điều hướng hình ảnh Natural Feature Tracking (NFT) trên tàu. Đây cũng là lần đầu tiên điều này được thực hiện. Engadget gần đây đã có cuộc trò chuyện với Quản lý Hướng dẫn Định vị và Điều khiển, Tiến sĩ Ryan Olds của Lockheed Martin, người đã giúp phát triển hệ thống NFT, để thảo luận về cách xây dựng trí tuệ nhân tạo đột phá này và vị trí mà nó có thể tiến tới trong dải ngân hà.

OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification and Security – Regolith Explorer) là nỗ lực đầu tiên của Hoa Kỳ để lấy mẫu vật chất từ một tiểu hành tinh đang đi ngang qua (Nhật Bản đã làm điều này hai lần). Bennu, khi OSIRIS tiếp cận lần đầu, nằm cách Trái Đất khoảng 70 triệu dặm, tạo ra một thách thức lớn hơn trong việc hạ cánh so với các mục tiêu trước đây như mặt trăng hoặc sao Hỏa.

“Thực sự, có rất nhiều yếu tố khác nhau,” Olds nói với Engadget về việc làm hòa các vận tốc và quỹ đạo trong các thao tác hạ cánh này. “Rất nhiều chi tiết nhỏ. Rất nhiều những gì chúng ta đang làm dựa trên mô hình, và nếu bạn có những nguồn lỗi nhỏ trong mô hình của mình mà không được xem xét, thì chúng có thể dẫn đến những sai lầm lớn. Vì vậy, truyền tải rằng thật sự rất quan trọng để đảm bảo bạn đang mô hình mọi thứ chính xác.”

Sau khi OSIRIS-REx tiến gần với Bennu vào năm 2020, tàu vũ trụ đã dành hơn 500 ngày xoay quanh tiểu hành tinh và chụp hình chi tiết bề mặt của nó từ đó nhóm kiểm soát tạo ra các mô hình địa hình kỹ thuật số. “Việc này đòi hỏi nhiều nghiên cứu để đảm bảo chúng ta đã hiểu được tất cả hiệu ứng,” Olds cho biết. “Chúng tôi đã làm nhiều việc đó với công việc của chúng tôi về Natural Feature Tracking để đảm bảo chúng tôi hiểu được trường trọng lực xung quanh tiểu hành tinh. Ngay cả những thứ nhỏ như máy sưởi trên tàu vũ trụ bật và tắt – ngay cả điều đó cũng tạo ra một hiệu ứng đẩy rất nhỏ vì bạn đang phát ra nhiệt và trên các cơ thể nhỏ như Bennu, những thứ nhỏ như vậy đều quan trọng.”

Do hành tinh này quay quanh trục của nó, bề mặt thay đổi từ bên nhìn sáng sang tối và ngược lại mỗi 4 giờ, đội ngũ OSIRIS đã “thiết kế tất cả các quỹ đạo TAG của chúng tôi để chúng tôi bay qua phần được chiếu sáng của tiểu hành tinh,” Olds nói. “Chúng tôi không muốn tàu vũ trụ bỏ qua thao tác và vô tình trôi lại phía sau tiểu hành tinh vào trong bóng tối.”

Hệ thống NFT, tương tự như xe Tesla, chủ yếu dựa vào một mảng camera phổ quang để biết nơi nó đang ở trong không gian, với hệ thống LiDAR hoạt động như sự dự phòng. Ban đầu, LiDAR sẽ là phương pháp chính để điều hướng, vì đội ngũ tin rằng bề mặt của Bennu giống môi trường cát trên bãi biển. “Chúng tôi không mong đợi sẽ có bất kỳ chướng ngại vật nào như đá lớn,” Olds nói. “Vì vậy, hệ thống điều hướng thực sự chỉ được thiết kế để đảm bảo chúng tôi sẽ hạ cánh trong vùng khoảng 25 mét, và LiDAR là hệ thống được chọn. Nhưng sau khi chúng tôi đến Bennu, chúng tôi thật sự ngạc nhiên với thứ mà nó trông giống như, đá khối khắp nơi, hiểm nguy khắp nơi.”

Đội ngũ đã gặp khó khăn trong việc tìm cho mình một điểm hạ cánh tiềm năng với bán kính lớn hơn tám mét, điều này có nghĩa là hệ thống LiDAR sẽ không đủ chính xác cho nhiệm vụ. Họ đã suy nghĩ và quyết định chuyển sang sử dụng hệ thống NFT, cho phép ước lượng trạng thái quỹ đạo trong ba chiều. Điều này giúp biết nếu có một tảng đá nào đó ở đường bay hạ cánh. Cuối cùng, tàu vũ trụ đã tiếp xúc với tiểu hành tinh chỉ cách mục tiêu 72cm.

Chúng tôi đã có một số mô hình dựa trên ảnh từ radar trên mặt đất,” Olds nói. “Nhưng những mô hình đó thực sự chỉ cung cấp cho chúng tôi một hình dạng lớn chung chung – nó không cung cấp cho chúng tôi sự chi tiết.” 17 tháng bay qua của OSIRIS đã cung cấp cho họ khoảnh khắc đóng vai trò quan trọng với hàng ngàn hình ảnh độ phân giải cao. Những hình ảnh này sau đó đã được truyền về Trái Đất nơi các thành viên của Nhóm Làm việc Định vị Độ cao OSIRIS-REx (AltWG) tiến hành xử lý, phân tích và lắp ráp thành một catalog hơn 300 bản đồ tham chiếu địa hình và đào tạo mô hình hình dạng 3D của địa hình. Hệ thống NFT đã dựa trên những tài liệu này trong quá trình thực hiện thao tác TAG để điều chỉnh hướng di chuyển và quỹ đạo của nó.

Thao tác hoàn toàn bao gồm bốn phần bắt đầu từ độ cao an toàn của Bennu. Tàu vũ trụ di chuyển lên phía nắng của tiểu hành tinh, đến vị trí khoảng 125m trên bề mặt được đặt tên là Checkpoint. Thao tác thứ ba chuyển OSIRIS-REx sang Matchpoint, cao 55m so với bề mặt, để đến lúc hạ xuống và tiếp xúc với tiểu hành tinh, tàu chỉ di chuyển với vận tốc 10 cm/s. Khi đó, tàu chuyển từ camera hình ảnh (vì nguyên nhân bụi tiểu hành tinh bay lên) sang việc sử dụng gia tốc kế trên tàu và thuật toán cập nhật delta-v (DVU) để ước tính chính xác vị trí tương đối. Trong thao tác thứ tự thứ tư và cuối cùng, tàu vũ trụ cùng với khoảng 8 oz (250g) hàng hóa nhẹ nhàng trở lại từ tảng đá vũ trụ 4,5 tỷ năm tuổi.

Lần tiếp theo khi OSIRIS được sử dụng, một phiên bản cập nhật và nâng cấp của hệ thống điều hướng NFT sẽ có thể có trên phiên bản OSIRIS-APEX tiếp theo. “Năm sau, chúng tôi sẽ bắt đầu với bảng trắng về nh

Nguồn: https://www.engadget.com/osiris-rex-used-a-tesla-esque-navigation-system-to-capture-45-billion-year-old-regolith-192132417.html?src=rss

NASA’s pioneering OSIRIS-REx mission has successfully returned from its journey to the asteroid Bennu. The robotic spacecraft briefly set down on the celestial body in a first-of-its-kind attempt (by an American space agency) to collect pristine rock samples, before alighting and heading back to Earth on a three-year roundtrip journey. The samples impacted safely on Sunday in the desert at the DoD’s Utah Test and Training Range and Dugway Proving Grounds.

Even more impressive, the spacecraft performed its Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism (TAGSAM) maneuver autonomously through the craft’s onboard Natural Feature Tracking (NFT) visual navigation system — another first! Engadget recently sat down with Guidance Navigation and Control Manager at Lockheed Martin Dr. Ryan Olds, who helped develop the NFT system, to discuss how the groundbreaking AI was built and where in the galaxy it might be heading next.

FILE - This undated image provided by NASA shows the asteroid Bennu seen from the OSIRIS-REx spacecraft. On Sunday, Sept. 24, 2023, the OSIRIS-REx spacecraft will fly by Earth and drop off what is expected to be at least a cupful of rubble it grabbed from Bennu, closing out a seven-year quest. (NASA/Goddard/University of Arizona/CSA/York/MDA via AP, File)

ASSOCIATED PRESS

The OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification and Security – Regolith Explorer) is America’s first attempt at retrieving physical samples from a passing asteroid (Japan has already done it twice). Bennu, being roughly 70 million miles from Earth when OSIRIS first intercepted it, presented far more of a challenge in landing than previous, larger targets like the also-not-particularly-easy-to-reach targets of the moon or Mars.

“There’s so many different factors,” in matching the myriad velocities and trajectories involved in these landing maneuvers, Olds told Engadget. “So many little details. A lot of what we’re doing is based on models and, if you have little error sources in your model that aren’t being taken into account, then those can lead to big mistakes. So it’s really, really important to make sure you’re modeling everything accurately.”

In fact, after OSIRIS-REx rendezvoused with Bennu in 2020, the spacecraft spent more than 500 days circling the asteroid and capturing detailed images of its surface from which the ground control team generated digital terrain models. “It takes a lot of research to make sure you’ve got all the effects understood,” Olds said. “We did a lot of that with our work on Natural Feature Tracking to make sure we understood the gravity field around the asteroid. Even little things like the spacecraft’s heaters turning on and off — even that produces a very, very tiny propulsive effect because you’re radiating heat, and on really small bodies like Bennu, those little things matter.”

OSIRIS REx TAGSAM animated gif

NASA/Goddard/University of Arizona

Since the asteroid revolved around its axis, the surface transitioning from sunlit side to dark and back again, every four hours, the OSIRIS team had to, “design all of our TAG trajectories so that we were flying over the lit portion of the asteroid,“ Olds said. “We didn’t want the spacecraft to ever miss the maneuver and accidentally drift back into the eclipse behind the asteroid.” The NFT system, much like a Tesla, relies primarily on an array of visual spectrum cameras to know where it is in space, with a LiDAR system operating as backup.

LiDAR was initially going to be the primary method of navigating, given the team’s belief during the planning phase that the surface of Bennu resembled a sandy, beach-like environment. “We weren’t expecting to have any hazards like big boulders,” Olds said. ”So the navigation system was really only designed to make sure we would land within about a 25-meter area, and LiDAR was the system of choice for that. But quickly once we got to Bennu, we were really surprised by what it looked like, just boulders everywhere, hazards everywhere.”

The team had difficulty spotting any potential landing site with a radius larger than eight meters, which meant that the LiDAR system would not be precise enough for the task. They racked their brains and decided to switch over to using the NFT system, which offered the ability to estimate orbital state in three dimensions. This is helpful in knowing if there’s a boulder in the lander’s descent path. The spacecraft ultimately touched down within just 72cm of its target.

“We did have some ground-based models from radar imagery,” Olds said. “But that really only gave us a very kind of bulk shape — it didn’t give us the detail.” OSIRIS’s 17 months of flyovers provided that missing granularity in the form of thousands of high-resolution images. Those images were subsequently transmitted back to Earth where members of the OSIRIS-REx Altimetry Working Group (AltWG) processed, analyzed and reassembled them into a catalog of more than 300 terrain reference maps and trained a 3D shape model of the terrain. The NFT system relied on these assets during its TAG maneuver to adjust its heading and trajectory.

That full maneuver was a four-part process starting at the “safe-home terminator orbit” of Bennu. The spacecraft moved onto the daylight side of the asteroid, to a position about 125m above the surface dubbed Checkpoint. The third maneuver shifted OSIRIS-REx to Matchpoint, 55m above the surface, so that by the time it finished descending and came into contact with the asteroid, it would be traveling at just 10 cm/s. At that point the ship switched from visual cameras (which were less useful due to kicked-up asteroid dust) to using its onboard accelerometer and the delta-v update (DVU) algorithm to accurately estimate its relative position. In its fourth and final maneuver, was the craft — and its approximately eight-oz (250g) cargo — gently backed away from the 4.5 billion-year-old space rock.

In this photo provided by NASA, the sample return capsule from NASA's Osiris-Rex mission lies on the ground shortly after touching down in the desert, at the Department of Defense's Utah Test and Training Range on Sunday, Sept. 24, 2023. The sample was collected from the asteroid Bennu in October 2020. (Keegan Barber/NASA via AP)

ASSOCIATED PRESS

Sunday’s touchdown was not the end of the NFT’s spacefaring career. An updated and upgraded version of the navigation system will potentially be aboard the next OSIRIS mission, OSIRIS-APEX. “Next year, we’re going to start hitting the whiteboard about what we want this updated system to do. We learned a lot of lessons from the primary mission.”

Olds notes that the asteroid’s small stature made navigation a challenge, “because of all those little tiny forces I was telling you about. That caused a lot of irritation on the ground … so we’re definitely wanting to improve the system to be even more autonomous so that future ground crews don’t have to be so involved.“ The OSIRIS spacecraft is already en route to its APEX target, the 1,000-foot wide Apophis asteroid, which is scheduled to pass within just 20,000 miles of Earth in 2029. NASA plans to put OSIRIS into orbit around the asteroid to see if doing so affects the body’s orbit, spin rate, and surface features.


[ad_2]

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *