次世代着陸機向けビジョン駆動型月面ナビゲーションシステム

2015年7月、NASAは『NASAテクノロジー・ロードマップ — TA9: 進入、降下、着陸システム（EDL）』を発表しました。その中で、今後数年間のEDL目標を示しました。月面だけでなく、太陽系全体の将来的な探査に向けて、新たな革新的技術を開発することです。これらの目標達成に向け、NASAはチャールズ・スターク・ドレイパー研究所（通称ドレイパー）と契約を結び、マルチ環境ナビゲーター（DMEN）の開発とテストを行いました。これはビジョンベースのナビゲーション技術を用いて、小型機を月面に着陸させるためのものです。

Tech Briefs: なぜ「DMEN」という名前なのですか？

ストリートマン: この名前は「Draper Multi-Environment Navigator（ドレイパー・マルチ環境ナビゲーター）」の略です。ドレイパーがこれまで宇宙ナビゲーションだけでなく、地上や軌道上でも行ってきた多くの研究成果を基盤としているためです。多くはガイドパラフォイルのビジョンナビゲーションに関するもので、着陸地点に対する機体の降下を大気圏内でナビゲートしようとするものでした。その技術を宇宙用に発展させています。さらに、屋内外で地表付近を飛行する小型ドローン向けに開発した技術や、国際宇宙ステーション（ISS）での宇宙飛行士の位置追跡のために開発した技術も活用しています。DMENは、屋内、屋外、地上、大気中、宇宙空間におけるこれらすべてのナビゲーション技術を統合し、小型月着陸機のナビゲーションに適用したものです。

Tech Briefs: デバイスについて説明していただけますか。

ストリートマン: DMENは、ワールド・ビュー・エンタープライズの気球に搭載し、アリゾナ州上空108,000フィート（約33km）の高度で飛行試験を行いました。試験に用いたデバイスには2つのカメラが搭載されており、将来の飛行に向けてどの視点とレンズサイズが適しているかを検証しました。下向きカメラとやや前方向きカメラの2つです。これらの出力は自社開発のセンサーボードに送られ、カメラデータは他のセンサーデータと統合され、アルゴリズムを実行するフライトコンピュータに送られます。

図1. ドレイパーのナビゲーター内部技術は、精密な月面着陸に必要なものです（画像提供: ドレイパー）

試作機の重量は約3kg、サイズは幅12インチ（約30cm）×高さ10インチ（約25cm）×奥行き10インチ（約25cm）です。カメラレンズはボックスの外側に取り付けられていますが、この寸法範囲内に収まっています。

Tech Briefs: ナビゲーション技術の基盤は何ですか？

図2. ドレイパーは、NASAのためにワールド・ビュー・エンタープライズが実施した試験において、準軌道飛行中の気球を正確にナビゲートする能力を実証しました（画像提供: ワールド・ビュー・エンタープライズ）

ストリートマン: ここで開発している主なものは、画像を処理してカメラの推定位置を算出するソフトウェアです。いくつかの異なるアルゴリズムに取り組んでいます。本質的には、視覚オドメトリを行うもので、フレーム間で特徴点を追跡し、視界シーンに対する相対的な移動を把握します。また、慣性計測コンポーネントを組み込むことで性能を向上させています。絶対位置測定技術としては、高高度で撮影した画像を衛星画像のデータベースと比較・照合し、同一シーン内の特徴点の絶対位置を特定します。

Tech Briefs: 慣性計測の役割は？

ストリートマン: 当社の慣性計測システムは、標準的な3軸加速度計と3軸ジャイロスコープを使用しています。これにより堅牢性と第二の情報ストリームが得られ、次の画像が何を映すかを予測するのに役立ちます。この2種類の情報を組み合わせることで、より正確な測定が可能になります。宇宙機では単に静止しているだけでなく、移動や回転を行うため、前後運動や回転によって地表の見え方が変わります。慣性計測により、画像撮影間のそれらの変化を追跡できます。現在と前回の画像の間で何が起きたかに基づき予測を行い、次の画像で期待される映像と実際の差異を比較することで、システム精度が向上します。

Tech Briefs: 光学系に特別な仕様はありますか？

図3. ドレイパーの新しいビジョンベース・ナビゲーションシステムは、米国アリゾナ州上空108,000フィートの飛行試験でテストされました（画像提供: ドレイパー）

ストリートマン: これらのデモンストレーションでは、光学系に特別な仕様はありません。アルゴリズムとソフトウェアをテストするため、市販のカメラとレンズを購入して使用しました。宇宙仕様の光学系や、実際に宇宙へ送るようなものは使用していません。安価な市販光学系でも、実施したテストには十分効果的でした。

これらのテストでは必ずしも高い撮像レートは必要ないため、グローバルシャッターやローリングシャッターを使用する必要はありません。実際の宇宙運用向けに設計する段階では、より高い精度が求められるため、その点を考慮する必要があります。

Tech Briefs: プロジェクトの現状をまとめていただけますか。

ストリートマン: 全体として、月面着陸や類似の作業を効果的に誘導する小型システムの開発を目指しています。受動的な画像センシングと慣性センシングのみを用いることで、はるかに小型のシステムを開発できます。しかし、ライダーやレーダーのような能動信号を用いる手法と比較すると制約があります。サイズと重量を大幅に削減できますが、暗闇や濃い影の中での運用能力など、一部の能力を犠牲にすることになります。受動センサーと能動センサーにはトレードオフがあります。しかし受動センサーを用いれば、月面のような場所への精密ナビゲーションに必要な装置を小型化できます。例えば、前回のNASAの大規模な月面着陸計画では、自律着陸ハザード回避技術（ALHAT）として、大型のアクティブ・フラッシュ・ライダーを含む大規模なセンサースイートを開発しましたが、質量は当社システムの約40倍でした。地球上で飛行試験は行われたものの、月面には到達していません。

当社のDMENシステムを基盤とする着陸機は、今後の宇宙探査において非常に有望な未来を持つと予測しています。

本記事は、Photonics & Imaging Technologyのアソシエイト・エディター、エド・ブラウンによって執筆されました。