Auf ihrer Mission zum Mond ist die Orion-Raumsonde der NASA so konzipiert, dass sie das Near Space Network und das Deep Space Network der NASA zur Navigation nutzt. Wenn das Fahrzeug jedoch die Kommunikation mit dem Boden oder den Netzwerken verliert, können die Besatzungen ein autonomes Backup-Navigationssystem verwenden, das als optische Navigation (OpNav) bekannt ist. Dieses System analysiert vom Raumfahrzeug aufgenommene Bilder des Mondes oder der Erde, um seine Position relativ zu einem dieser beiden Körper zu bestimmen.
Eine derzeit an Bord der Internationalen Raumstation laufende Untersuchung hilft den Entwicklern von OpNav bei der Feinabstimmung des Systems, um sicherzustellen, dass die Besatzungen sicher nach Hause zurückkehren. Die Moon Imagery-Untersuchung verwendet Fotos des Mondes, die von der Raumstation aufgenommen wurden, um die Systemsoftware zu kalibrieren.
„Die Raumstation bietet uns eine Plattform, um Bilder des Mondes ohne Störung durch die Erdatmosphäre zu sammeln“, sagt der leitende Forscher Steve Lockhart vom Johnson Space Center der NASA in Houston. „Wir können vom Boden aus ziemlich anständige Bilder machen, besonders wenn der Mond fast voll und hoch am Himmel steht. Die Herausforderung besteht darin, klare Bilder des Mondes in seinen sehr dünnen Phasen zu bekommen. Weil er dann nahe an der Sonne ist, dem Himmel ist nur dunkel genug, um Bilder aufzunehmen, wenn der Mond nahe am Horizont steht, und dann schaut man durch eine Menge Atmosphäre.“
Bei der Untersuchung kommen zwei Kameras zum Einsatz, die auf einer Platte montiert und um etwa 20 Grad zueinander versetzt sind. Die Platte ist in der Kuppel der Station installiert, einem Beobachtungsmodul mit sieben Fenstern, und die Kameras zeigen auf eines der Fenster, das für die klarste Sicht aus reinem Glas besteht. Eine Kamera nimmt Bilder der Sterne auf und die andere fotografiert bestimmte Ansichten des Mondes. Jede spezifische Ansicht ist nur einmal im Monat für ein kurzes Vier-Minuten-Fenster verfügbar. Die Software verwendet dann Algorithmen, um diese Bilder zu analysieren und die Position des Fahrzeugs im Raum zu bestimmen.
„Wir wissen jederzeit, wo sich die Raumstation befindet und wo sie war, als ein bestimmtes Foto aufgenommen wurde, basierend auf der Zeit, zu der es aufgenommen wurde“, sagt Lockhart. „Der Algorithmus teilt uns mit, wo sich die Station befindet, und wir können dies mit dem tatsächlich bekannten Standort vergleichen, um die Genauigkeit unseres Systems zu beurteilen.“
Das System ist automatisiert, fügt er hinzu. Die Besatzung der Raumstation befiehlt der Kamera einfach, auf die Erde oder den Mond zu richten, je nachdem, welches Ziel zu diesem Zeitpunkt am besten geeignet ist, um eine Reihe von Fotos für etwa eine Stunde aufzunehmen.
Die Besatzungsmitglieder haben nun vier Untersuchungen durchgeführt und einen gesamten 29-Tage-Zyklus der Mondphasen fotografiert.
Bilder vom letzten Durchlauf im Mai zeigten unterschiedliche Belichtungen, von sehr unterbelichtet bis stark überbelichtet. Die Forscher planen, diese Bilder zu analysieren, um zu sehen, ob sie verwendet werden können, um Entfernung und Peilung von der Raumstation und daraus den Standort eines Raumfahrzeugs zu bestimmen, wie z. B. die Position von Orion zwischen Mond und Erde.
Dieser Lauf erfasste auch eine sehr dünne Mondsichel, eine der schwierigsten Bedingungen für die Bildverarbeitungsalgorithmen des Systems. Das Team kann zukünftige Versionen des Algorithmus basierend darauf verbessern, wie das System diese herausfordernde Mondphase handhabt, eines von mehreren Zielen für die bevorstehende Artemis-I-Mission.
Während Flugbahnkorrekturmanövern nimmt die an der Außenseite von Orion angebrachte OpNav-Kamera etwa zwei Stunden lang wiederholt Bilder von Mond und Erde auf. Diese mehreren Bilder sollten genaue Messungen des Standorts von Orion gewährleisten, falls das Backup-Navigationssystem benötigt wird. Die genaue Kenntnis des Standorts eines Raumfahrzeugs ist entscheidend, um es sicher zurück zum Wiedereintritt in die Erdatmosphäre zu führen.
Kommunikations- und Navigationsfähigkeiten sind eine der Schlüsseltechnologien, die Menschen benötigen, um weiter in den Weltraum vordringen zu können. Orion ist das Raumschiff der nächsten Generation der NASA, das Menschen in die erdnahe Umlaufbahn und darüber hinaus, einschließlich zum Mond, transportieren kann. Laut Lockhart haben auch kommerzielle Weltraumforschungsunternehmen Interesse an dem autonomen Navigationssystem gezeigt.
Die Untersuchung von Moon Imagery ist ein Beispiel dafür, wie die Raumstation Forschern eine Plattform bietet, um die Grundlagen für Technologien und Demonstrationen zu legen, die die Menschheit der Erforschung des Weltraums näher bringen.