När ESA:s Hera-rymdfarkost för planetförsvar genomgår tester före flygning, genomgår systemet som kommer att styra den runt sitt binära asteroidsystem för målet också sina sista kontroller för rymden.
Validering av uppdragets vägledningsnavigering och kontrollsystems beredskap för närhetsoperationer inom denna utmanande miljö med ultralåg gravitation genom en lång serie virtuella manövrar, utförda parallellt i Spanien och Tyskland.
Vid huvudkontoret för systemutvecklaren GMV för Guidance Navigation and Control (GNC) i Madrid, förs en kopia av Heras omborddator för närvarande genom närhetsoperationer runt en modellasteroid avbildad med en kamera, för maximal realism, med andra sensorer och ställdon emulerad med skräddarsydd "utcheckningsutrustning".
Samtidigt pågår tester i rymdfarkosttillverkaren OHBs lokaler i Bremen med en fullskalig hårdvarukopia av rymdfarkosten, kallad Hera Avionics Test Bench.
"Systemet för Heras interplanetära kryssningsfas – som naturligtvis är den mest kritiska för att vara redo för uppskjutning – är nu fullständigt testat med den faktiska flygmodellen för rymdfarkoster", förklarar ESA GNC-ingenjör Jesus Gil Fernandez.
"Den här fasen kommer att sluta vid ankomsten av asteroiden när kamerabilder kommer att användas för att skilja asteroiden från bakgrundsstjärnor genom att se dess gradvisa rörelse över på varandra följande bilder. GNC för uppföljningsfasen för närhetsoperationer är vad vi koncentrerar oss på nu, som involverar rymdfarkosten kommer till en början så nära som 30 km från asteroidparet, sedan mycket närmare senare, ner till 1 km."
Efter uppskjutningen i oktober är Hera på väg mot en distinkt främmande miljö. Efter en tvåårig kryssning genom rymden, inklusive en Mars-förbiflygning som kommer att användas för att ta vetenskapliga observationer av Deimos, kommer rymdfarkosten att mötas med Didymos binära asteroidsystem:Dimorphos-månen, ungefär lika stor som den stora pyramiden i Giza, är i omloppsbana cirka 1,2 km från den bergsstora Didymos huvudkropp.
De kombinerade gravitationsfälten för dessa två asteroider är tiotusentals gånger svagare än jordens.
Som ett tillägg till den exotiska karaktären hos denna destination har Dimorphos redan genomgått en förändring av omloppsbana runt Didymos, efter att NASA:s rymdfarkost DART träffade den i september 2022. Och denna påverkan kommer sannolikt att ha omformat asteroiden på ett dramatiskt sätt.
Datafusion för miljökartläggning
För att operera säkert runt Didymos har Hera en hög grad av autonomi ombord. Dess väglednings-, navigerings- och kontrollsystem (GNC) är utformat för att sammansmälta data från olika källor för att bygga upp en sammanhängande bild av omgivningen, på samma sätt som självkörande bilar.
"Dess huvudsakliga datakälla kommer att vara dess huvudsakliga Asteroid Framing Camera, vars bilder används både för vetenskap och navigering," tillägger Jesus. "Dessa bilder kommer att kombineras med andra ingångar för att göra en robust uppskattning av dess position, särskilt uppdragets PALT-H laserhöjdmätare, som studsar ner laserpulser till asteroidens yta, såväl som tröghetssensorer. Detta GNC-system är designat för att vara manövrerades manuellt från marken initialt, men när Heras CubeSats väl har installerats kommer autonom navigering att behövas för att uppfylla kärnuppdragets mål."
Under närhetsoperationer kommer Hera att hålla Didymos inramad i sin kamera som en övergripande referenspunkt och upptäcka kontrasten mellan asteroidens kanter och det djupa rummet runt den. Den detekterade formen kommer att jämföras med en förutspådd sfärisk modell. Senare, när rymdfarkosten kommer närmare än cirka 10 km från Didymos och mer än 2 km ovanför Dimorphos, kommer en bildbehandlingsteknik som kallas "center of brightness" att användas, fokuserad på den genomsnittliga positionen för solupplysta pixlar, på grund av mindre asteroids komplexa och osäkra form.
Tyngdkraftsnivåerna för de två asteroiderna är för låga för att rymdfarkosten ska kunna gå i omloppsbana i någon traditionell mening. Istället (med hjälp av en teknik från ESA:s Rosetta-kometjagare) kommer Hera att flyga i "hyperboliska bågar" – som liknar en serie omväxlande förbiflygningar, omvända av regelbundna skjutningar var tredje till var fjärde dag. I fallet med ett normalt uppdrag skulle denna mängd upprepade hastighetsförändringar snart tömma dess drivmedelstankar, men gravitationsnivån runt Didymos är så låg att Hera bara kommer att flyga med en typisk relativ hastighet på cirka 12 cm per sekund.
"Heras hyperboliska bågar är designade så att om en skjutmotor avfyrar ett litet fel så skulle rymdfarkosten ändå hålla sig på ett säkert avstånd från asteroiderna", tillägger Jesus. "Men de låga hastigheterna innebär att omloppsmanövrarna som för Hera mycket nära asteroiderna måste utföras mycket noggrant, annars kan det fortfarande finnas en kollisionsrisk. Således inkluderar GNC ett autonomt banakorrigeringssystem, plus ett autonomt system för uppskattning av kollisionsrisk som har befogenhet att utföra kollisionsundvikande manövrar efter behov."
Heras självkörande autonomi kommer verkligen att komma till sin rätt när rymdfarkosten närmar sig asteroiderna senare i sitt uppdrag, förklarar Jesus, "När vi kommer närmare än 2 km kommer Dimorphos att fylla kamerans synfält. Sedan kommer det mest ambitiösa navigeringsläget. av allt, baserat på autonom ytfunktionsspårning utan absolut referens. Detta kommer att vara en fråga om att avbilda samma egenskaper – som stenblock och kratrar – i på varandra följande bilder för att få en känsla av Heras höjd och bana i förhållande till ytan.
Funktionsidentifiering och kartläggning kommer också att användas för att härleda massan av Dimorphos, även om denna teknik kommer att utföras från marken snarare än ombord på rymdfarkosten.
Uppdragskontrollanter kommer att mäta "wobblingen" som månen orsakar för sin förälder, i förhållande till den gemensamma tyngdpunkten för det övergripande Didymos-systemet. Detta kommer att uppnås genom att identifiera små meterskaliga variationer i rotationen av fasta landmärken runt denna tyngdpunkt över tiden.
GNC-testning av några av lägena i denna sista experimentella fas kommer att fortsätta efter uppskjutning, för att förbereda rymdfarkosten inför dess ankomst till Didymos i oktober 2026.
Tillhandahålls av Europeiska rymdorganisationen
