Ingenjörer som designar ESA:s planetariska försvarsuppdrag Hera till asteroidparet Didymos utvecklar avancerad teknologi för att låta rymdfarkosten styra sig själv genom rymden, har ett liknande förhållningssätt till självkörande bilar.

"Om du tror att självkörande bilar är framtiden på jorden, då är Hera pionjären för autonomi i rymden, " förklarar Paolo Martino, ledande systemingenjör för ESA:s föreslagna Hera-uppdrag. "Medan uppdraget är designat för att kunna köras helt manuellt från marken, den nya tekniken kommer att testas när kärnuppdragets mål har uppnåtts och högre risker kan tas."

Hera är för närvarande föremål för detaljdesignarbete, innan de presenteras för Europas rymdministrar vid ministerrådet Space19+ i november. Rymdfarkosten kommer att undersöka en liten måne med en diameter på 160 m av asteroiden Didymos med en diameter på 780 m, i efterdyningarna av ett banbrytande planetariskt försvarsexperiment.

"Rymdfarkosten kommer att fungera som ett autonomt fordon, sammansmälta data från olika sensorer för att bygga upp en sammanhängande modell av dess omgivning, " säger ESA vägledning, navigering och kontroll (GNC) ingenjör Jesus Gil Fernandez.

"Heras mest avgörande datakälla kommer att vara dess Asteroid Framing Camera, kombinerat med indata från en stjärnspårare, laser höjdmätare, termisk infraröd kamera plus tröghetssensorer inklusive accelerometrar."

Den resulterande autonomin bör låta Hera navigera säkert så nära 200 meter från ytan av den mindre asteroiden 'Didymoon', möjliggör förvärv av högupplösta vetenskapliga observationer ner till 2 cm per pixel – särskilt fokuserade på nedslagskratern som lämnats av den amerikanska rymdfarkosten DART som kraschar in i Didymoon för att avleda dess omloppsbana.

GNC-ingenjören Massimo Casasco tillägger:"Alla andra djuprymduppdrag, i jämförelse, har haft en bestämd förare tillbaka på jorden, med navigationskommandon planerade vid uppdragskontroll i ESA:s European Space Operations Centre, innan den länkades upp till rymdfarkosten timmar senare. Under Heras experimentella fas, likvärdiga beslut kommer att utföras ombord på autonom basis i realtid."

För maximal tillförlitlighet för navigering, Heras huvuddator kommer att kompletteras med en dedikerad bildbehandlingsenhet – på samma sätt som stationära datorer ofta har separata grafikkort – samtidigt som man lånar maskinseendetekniker från industriella kameror som används på produktionslinjer.

Bildbaserad navigering

Planeras att lanseras i oktober 2023 och nå sitt mål för Didymos jordnära asteroider tre år senare, ESA:s föreslagna Hera-uppdrag kommer att navigera sig själv i tre olika lägen. Vid den första inflygningen kommer huvudasteroiden att framstå som ytterligare en ljusstark stjärna bland många.

"Från avstånd, det blir bara en liten prick, " förklarar Jesus. "Vi skulle behöva ta flera bilder för att observera dess rörelse mot bakgrundsstjärnan."

Denna bildteknik liknar de som utvecklats för att upptäcka små föremål av rymdskräp och för att så småningom tillåta framtida uppdrag för borttagning av skräp med robotar att träffas med dem.

Nästa läge kommer att vara det dominerande för huvuddelen av Heras uppdrag mellan 30 km till 8 km avstånd, med den större 'Didymain'-asteroiden inramad i sin kameravy som en övergripande referenspunkt.

"Det här läget beror på att den stora asteroiden är mindre än vårt totala synfält, och upptäcka kontrasten i dess kanter som ger vika för utrymmet bortom, " säger Massimo. "Vi drar fördel av dess ungefärligen sfäriska form för att passa in i en cirkel och uppskattar siktlinjeavståndet mellan rymdfarkosten och asteroidens "centroid".

Didymain har valts ut som referenspunkt för navigation eftersom det är kroppen där det mesta av systemets gravitation är koncentrerad, och mycket mer är känt om den än den mindre Didymoon.

Denna metod kommer att bli oanvändbar men när Hera kommer närmare än 8 km från Didymain, och asteroiden fyller sitt synfält. Sedan kommer det mest ambitiösa navigeringsläget av alla, baserat på autonom funktionsspårning utan absolut referens.

Jesus förklarar:"Detta kommer att handla om att avbilda samma egenskaper – såsom stenblock och kratrar – i olika bilder för att få en känsla av hur vi rör oss med avseende på ytan, kombinerat i sin tur med annan information inklusive accelerometrar ombord för dödräkning och den termiska infraröda kameran för att överflyga asteroidens nattsida."

Funktionsspårning kommer också att användas för att mäta massan av Didymoon, genom att mäta den "wobbling" den orsakar sin förälder, i förhållande till den gemensamma tyngdpunkten för det övergripande binära Didymos-systemet. Detta kommer att uppnås genom att identifiera små meterskaliga variationer i rotationen av fasta landmärken runt denna tyngdpunkt över tiden.

I praktiken, det kommer utan tvekan att finnas överraskningar, konstaterar Massimo:"En plattare yta skulle vara värre än något med många stenblock med hög kontrast, vilket gör det lättare att entydigt identifiera funktioner. Plus en mindre sfärisk kropp med massor av oregelbundna former och skuggor skulle vara mer av en utmaning för den typ av kantdetektering vi använder."

utvecklingsteam i hela Europa

GMV i Spanien leder utvecklingen av detta visionbaserade navigationssystem, stöds av OHB i Sverige med andra partners inklusive GMV i Polen och Rumänien. En kopia av Asteroid Framing Camera Hera kommer att förlita sig på används för närvarande för praktiska tester av programvaran tillsammans med en högupplöst modell av Didymos.

Denna teknik kommer att ha bredare användningsområden i många andra uppdrag, inklusive ESA:s planerade rymdservicefordon för att renovera satelliter och ta bort rymdskräp, såväl som det ambitiösa Mars Sample Return-uppdraget, vars ben hemåt kommer att involvera autonoma möten i Mars omloppsbana. I sista hand, en gång bevisat, denna teknik skulle vara en möjliggörande byggsten för billiga planetsonder i rymden.