OSIRIS-REx ha utilizzato un sistema di navigazione simile a quello di Tesla per catturare il regolito di 4,5 miliardi di anni.
OSIRIS-REx ha usato sistema di navigazione simile a Tesla per catturare regolito di 4,5 miliardi di anni.
La pionieristica missione OSIRIS-REx della NASA è tornata con successo dal suo viaggio verso l’asteroide Bennu. La sonda robotica si è brevemente posata sul corpo celeste in un tentativo senza precedenti (da parte di un’agenzia spaziale americana) di raccogliere campioni di roccia intatti, prima di atterrare e dirigendosi nuovamente verso la Terra in un viaggio di andata e ritorno di tre anni. I campioni sono atterrati in sicurezza domenica nel deserto presso il DoD’s Utah Test and Training Range and Dugway Proving Grounds.
Ancora più impressionante, la sonda ha eseguito autonomamente la manovra di acquisizione campioni Touch-and-Go Sample Acquisition Mechanism (TAGSAM) mediante il sistema di navigazione visuale Natural Feature Tracking (NFT) a bordo dell’astronave, un’altra novità! ENBLE ha recentemente intervistato il responsabile della guida, navigazione e controllo presso Lockheed Martin, il dottor Ryan Olds, che ha contribuito allo sviluppo del sistema NFT, per discutere di come è stato costruito l’innovativo sistema di intelligenza artificiale e verso quale direzione della galassia potrebbe dirigersi in futuro.
OSIRIS-REx (Origins, Spectral Interpretation, Resource Identification and Security – Regolith Explorer) è il primo tentativo dell’America di recuperare campioni fisici da un asteroide in transito (il Giappone lo ha già fatto due volte). Bennu, essendo a circa 70 milioni di miglia dalla Terra quando OSIRIS lo ha intercettato per la prima volta, ha presentato una sfida maggiore nell’atterraggio rispetto a obiettivi precedenti più grandi come la luna o Marte, che non sono particolarmente facili da raggiungere.
“Ci sono così tanti fattori diversi”, ha detto Olds a ENBLE riguardo all’abbinamento delle numerose velocità e traiettorie coinvolte in queste manovre di atterraggio. “Tanti piccoli dettagli. Gran parte di quello che stiamo facendo si basa su modelli e, se ci sono piccole sorgenti di errore nel modello che non vengono prese in considerazione, possono portare a grandi errori. Quindi è davvero molto importante assicurarsi di modellare tutto in modo accurato”.
Infatti, dopo che OSIRIS-REx si è incontrato con Bennu nel 2020, la sonda ha trascorso più di 500 giorni a circondare l’asteroide e a catturare immagini dettagliate della sua superficie, dalle quali il team di controllo a terra ha generato modelli digitali del terreno. “Ci vuole molta ricerca per assicurarsi di capire tutti gli effetti”, ha detto Olds. “Abbiamo fatto molto lavoro con il nostro sistema di Natural Feature Tracking per assicurarci di comprendere il campo di gravità intorno all’asteroide. Anche piccole cose come l’accensione e lo spegnimento dei riscaldatori dell’astronave – anche questo produce un effetto propulsivo molto, molto piccolo perché si irradia calore, e su corpi davvero piccoli come Bennu, queste piccole cose contano”.
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Dato che l’asteroide ruotava intorno al suo asse, la superficie passava dal lato illuminato dal sole al lato oscuro e viceversa ogni quattro ore, il team di OSIRIS doveva “progettare tutte le traiettorie TAG in modo da volare sulla parte illuminata dell’asteroide”, ha detto Olds. “Non volevamo che l’astronave perdesse mai la manovra e accidentalmente tornasse nell’eclissi dietro l’asteroide”. Il sistema NFT, simile a una Tesla, si basa principalmente su un’array di telecamere spettrali visive per sapere dove si trova nello spazio, con un sistema LiDAR che funge da backup.
Inizialmente, il LiDAR doveva essere il metodo principale di navigazione, dato che il team credeva durante la fase di pianificazione che la superficie di Bennu assomigliasse a un ambiente sabbioso simile a una spiaggia. “Non ci aspettavamo di avere ostacoli come grandi massi”, ha detto Olds. “Quindi il sistema di navigazione era davvero progettato solo per assicurarsi che atterrassimo entro un’area di circa 25 metri, e LiDAR era il sistema scelto per questo. Ma una volta arrivati a Bennu, siamo rimasti davvero sorpresi da come era, con massi dappertutto, ostacoli dappertutto”.
Il team ha avuto difficoltà a individuare un sito di atterraggio potenziale con un raggio superiore a otto metri, il che significava che il sistema LiDAR non sarebbe stato abbastanza preciso per il compito. Hanno riflettuto e hanno deciso di passare all’utilizzo del sistema NFT, che offriva la possibilità di stimare lo stato orbitale in tre dimensioni. Questo è utile per sapere se c’è un masso nel percorso di discesa del lander. La sonda alla fine è atterrata a soli 72 cm dal suo obiettivo.
“Avevamo alcuni modelli basati su immagini radar dal suolo”, ha detto Olds. “Ma quello ci ha dato solo una forma molto generale, non ci ha dato dettagli”. I 17 mesi di sorvoli di OSIRIS hanno fornito quella granularità mancante sotto forma di migliaia di immagini ad alta risoluzione. Queste immagini sono state successivamente trasmesse sulla Terra, dove i membri del OSIRIS-REx Altimetry Working Group (AltWG) le hanno elaborate, analizzate e ricomposte in un catalogo di oltre 300 mappe di riferimento del terreno e hanno addestrato un modello tridimensionale della forma del terreno. Il sistema NFT si è basato su questi asset durante la manovra TAG per regolare la sua direzione e traiettoria.
Quella manovra completa era un processo in quattro parti che iniziava nell’orbita “casa sicura” di Bennu. La navicella si spostava sul lato illuminato dell’asteroide, in una posizione a circa 125 m dalla superficie chiamata Punto di Controllo. La terza manovra spostava OSIRIS-REx a Punto di Confronto, a 55 m dalla superficie, in modo che al momento in cui finiva di scendere e veniva a contatto con l’asteroide, viaggiava a soli 10 cm/s. A quel punto, la navicella passava dalle fotocamere visive (che erano meno utili a causa della polvere sollevata dall’asteroide) all’utilizzo del suo accelerometro integrato e dell’algoritmo di aggiornamento delta-v (DVU) per stimare accuratamente la sua posizione relativa. Nella sua quarta e ultima manovra, la navicella – e il suo carico di circa 250 g – si allontanava delicatamente dalla roccia spaziale di 4,5 miliardi di anni.
L’atterraggio di domenica non è stato la fine della carriera spaziale dell’NFT. Una versione aggiornata e migliorata del sistema di navigazione sarà potenzialmente a bordo della prossima missione OSIRIS, OSIRIS-APEX. “Il prossimo anno, inizieremo a pianificare su cosa vogliamo che faccia questo sistema aggiornato. Abbiamo imparato molte lezioni dalla missione principale”, ha detto.
Olds osserva che le dimensioni ridotte dell’asteroide hanno reso la navigazione una sfida, “a causa di tutte quelle piccole forze di cui ti stavo parlando. Ciò ha causato molte difficoltà a terra… quindi vogliamo sicuramente migliorare il sistema per renderlo ancora più autonomo in modo che i futuri equipaggi a terra non debbano essere così coinvolti”. La navicella OSIRIS è già in viaggio verso il suo obiettivo APEX, l’asteroide Apophis largo 1.000 piedi, che è programmato per passare a soli 20.000 miglia dalla Terra nel 2029. La NASA pianifica di mettere OSIRIS in orbita attorno all’asteroide per vedere se ciò influisce sull’orbita, sulla velocità di rotazione e sulle caratteristiche superficiali del corpo celeste.
