在最荒涼的環(huán)境中可以找到我們太陽系中一些最有趣的研究場所，但是降落在任何行星體上已經(jīng)是一個危險的提議。隨著NASA計劃用機器人和載人飛行任務前往月球和火星的新位置，避免著陸在隕石坑的陡峭斜坡或巨石場上著陸對于確保安全著陸以進行其他世界的地面探測至關(guān)重要。為了提高著陸安全性，NASA正在開發(fā)和測試一套精確的著陸和避免危險技術(shù)。

激光傳感器，照相機，高速計算機和復雜算法的組合將為航天器提供人造眼睛和分析能力，以找到指定的著陸區(qū)，識別潛在危險并調(diào)整航向最安全的著陸點。在太空技術(shù)任務局的“改變游戲規(guī)則”開發(fā)計劃下，“安全和精確著陸—綜合能力演進”(SPLICE)項目開發(fā)的技術(shù)最終將使航天器能夠避免在大半個著陸區(qū)的著陸區(qū)內(nèi)避開巨石，隕石坑等。足球場已經(jīng)成為相對安全的目標。

在即將執(zhí)行的任務中，SPLICE的四個主要子系統(tǒng)中的三個將在Blue Origin New Shepard火箭上進行首次綜合測試飛行。當火箭的助推器返回地面后，到達地球大氣層和太空之間的邊界后，SPLICE的地形相對導航，導航多普勒激光雷達以及下降和著陸計算機將在助推器上運行。每個人的工作方式都與接近月球表面時的工作方式相同。

SPLICE的第四個主要組件是危險探測激光雷達，將來將通過地面和飛行測試進行測試。

跟隨面包屑

選擇場地進行探索時，考慮的一部分是確保有足夠的空間讓航天器著陸。該區(qū)域的大小稱為著陸橢圓，揭示了傳統(tǒng)著陸技術(shù)的不精確本質(zhì)。1968年，阿波羅11號的目標著陸區(qū)域約為11英里乘3英里，宇航員駕駛著陸器。隨后的火星機器人任務是為自主著陸設計的。十年后，維京人以174英里乘62英里的目標橢圓到達了紅色星球。

技術(shù)得到了改善，隨后的自主著陸區(qū)的面積減小了。2012年，好奇號漫游者的降落橢圓降到了12英里乘4英里。

能夠精確定位著陸點將有助于未來的任務將目標區(qū)域指定為以前認為對無人駕駛著陸過于危險的地點進行新的科學探索。它還將使高級補給任務能夠?qū)⒇浳锖脱a給品發(fā)送到一個地點，而不是分散在數(shù)英里之內(nèi)。

每個行星體都有其獨特的條件。這就是為什么“ SPLICE旨在與降落在行星或月球上的任何航天器集成的原因，”項目經(jīng)理Ron Sostaric說。Sostaric總部位于休斯敦的NASA約翰遜航天中心，他解釋說該項目橫跨該機構(gòu)的多個中心。

他說：“我們正在建造的是一個完整的下降和著陸系統(tǒng)，該系統(tǒng)將用于未來的阿耳emi彌斯登月任務，并可以適應火星。” “我們的工作是將各個組件放在一起，并確保它可以正常運行。”

大氣條件可能會有所不同，但下降和降落的過程是相同的。對SPLICE計算機進行了編程，以激活距地面數(shù)英里的地形相對導航。機載相機拍攝表面，每秒最多拍攝10張照片。這些被連續(xù)地輸入到計算機中，該計算機預裝了著陸場的衛(wèi)星圖像和已知地標的數(shù)據(jù)庫。

算法搜索實時圖像中的已知特征，以確定航天器的位置，并安全地將航天器導航到其預??期的著陸點。這類似于通過地標(例如建筑物)導航，而不是通過街道名稱導航。

以相同的方式，相對地形導航可識別航天器的位置，并將該信息發(fā)送至制導和控制計算機，該計算機負責執(zhí)行通往地面的飛行路徑。計算機將大概知道航天器何時應該接近其目標，就像放置面包屑然后將它們跟隨到最終目的地一樣。

這個過程一直持續(xù)到地面以上約四英里。

激光導航

知道航天器的確切位置對于計劃和執(zhí)行動力下降以精確著陸所需的計算至關(guān)重要。下降途中，計算機打開導航多普勒激光雷達以測量速度和距離測量值，從而進一步增加來自地形相對導航的精確導航信息。激光雷達(光檢測和測距)的工作方式與雷達大致相同，但使用光波而不是無線電波。三束激光束，每個束束都像鉛筆一樣窄，指向地面。這些光束發(fā)出的光從表面反射回來，反射回航天器。

反射光的傳播時間和波長用于計算飛行器離地面多遠，前進方向以及移動速度。對于所有三個激光束，每秒進行20次這些計算，并將其輸入到引導計算機中。

多普勒激光雷達在地球上成功運行。但是，這項技術(shù)的共同發(fā)明人，弗吉尼亞州漢普頓市NASA蘭利研究中心的首席研究員Farzin Amzajerdian負責解決太空使用方面的挑戰(zhàn)。

他說：“關(guān)于從月球和火星表面?zhèn)鞒龆嗌傩盘栠€存在一些未知數(shù)。” 如果地面上的材料反射性不強，則傳回傳感器的信號將變?nèi)?。但是Amzajerdian相信激光雷達的性能將優(yōu)于雷達技術(shù)，因為激光頻率比無線電波高幾個數(shù)量級，從而可以實現(xiàn)更高的精度和更有效的傳感。

負責管理所有這些數(shù)據(jù)的主力機是下降和著陸計算機。來自傳感器系統(tǒng)的導航數(shù)據(jù)被饋送到機載算法，該算法計算出新的路徑以進行精確著陸。

電腦強國

下降和著陸計算機同步各個SPLICE組件的功能和數(shù)據(jù)管理。它還必須與任何航天器上的其他系統(tǒng)無縫集成。因此，這個小型的計算中心可防止精確著陸技術(shù)使主要飛行計算機過載。

早期發(fā)現(xiàn)的計算需求清楚地表明，現(xiàn)有計算機不足。NASA的高性能航天計算處理器可以滿足需求，但距離完成還需要幾年的時間。需要一個臨時解決方案來使SPLICE準備好在Blue Shepard火箭上進行Blue Origin的首次亞軌道火箭飛行測試。來自新計算機性能的數(shù)據(jù)將有助于最終替代它。

精確著陸的技術(shù)集成經(jīng)理John Carson解釋說：“代理計算機具有非常相似的處理技術(shù)，這不僅可以告知未來的高速計算機設計，還可以通知未來的下降和著陸計算機集成工作。”

展望未來，像這樣的測試任務將有助于為美國宇航局和商業(yè)提供商在月球表面和其他太陽系物體上形成安全的著陸系統(tǒng)。

卡森說：“安全，準確地降落在另一個世界上仍然面臨許多挑戰(zhàn)。” “還沒有一種商業(yè)技術(shù)可以買下來。將來的每一次地面任務都可以使用這種精確的著陸能力，因此NASA現(xiàn)在就滿足了這一需求。我們正在與業(yè)界伙伴一起促進轉(zhuǎn)移和使用。”