LONEStar実験：光学ナビゲーションの新しいフロンティア

月面フラッシュライト（LF）は、2022年12月に打ち上げられたNASAのミッションです。主な目的は新しい技術を実証し、月に水氷を探すことでした。しかし、推進システムに問題があって月には到達できず、代わりに太陽の周りを回る軌道に送られました。その後、ジョージアテックにミッションが引き継がれ、さらに高度な技術を示すためにミッションが延長されました。

#LONEStar実験

LFの延長ミッションの一部はLONEStarと呼ばれました。この実験は2023年の8月から12月に行われ、宇宙からの画像を使って新しいナビゲーション方法をテストすることを目的としていました。チームは地球、月、いくつかの惑星を含むさまざまな天体の写真をたくさん撮影しました。そして、この新しいナビゲーション方法をテストするためにほぼ400枚の画像を処理しました。

LONEStarが特に重要だったのは、惑星の画像を使って宇宙でナビゲートするという新しいことをしたからです。彼らはこれらの惑星からの光だけを基に自分たちの位置を特定することに成功しました。特に注目すべき成果は、同時に2つの惑星を観察して位置を即座に特定したことと、複数の惑星を連続的に追跡してナビゲーションの精度を向上させたことです。

#月面フラッシュライトの紹介

月面フラッシュライトは、新しい技術をテストするために開発された小型衛星ミッションです。月の近くでいくつかの高度な技術を実証することを目指していました。衛星には特別なマイクロプロセッサー、強力な赤外線レーザー、推進システムなど、革新的なコンポーネントがたくさん含まれていました。

月に水氷を探しに行くという目標があったにもかかわらず、推進システムの故障により大きな挫折を経験しました。月に到達する代わりに、地球を飛び越えて太陽の周りの軌道に入り、そこでテストを続けることができました。その後、ジョージアテックがミッションを引き継ぎ、光学ナビゲーションをさらに調査することになり、LONEStar実験が行われました。

#光学ナビゲーションの重要性

光学ナビゲーションは、宇宙探査の歴史の中で重要な役割を果たしてきました。他の惑星への多くの成功したミッションにおいて重要な役割を果たしてきました。しかし、太陽の周りを回る軌道にある間にこの方法を効果的に用いたミッションはほとんどありませんでした。LONEStar実験は、この技術を他の惑星から遠く離れた宇宙船でテストすることによってこれを変えることを目的としていました。

前のミッションがナビゲーションのために異なるオブジェクトに依存していたのに対し、LONEStarは遠い惑星の画像を使ってナビゲートしなければなりませんでした。これには、適切なタイミングで画像をキャプチャし、処理に適した品質であることを確認する必要がありました。

#異なるナビゲーション技術の比較

LONEStarと別のミッションであるディープスペース1（DS1）は、どちらも遠くからの観測を使ってナビゲートしましたが、その方法は異なりました。DS1は宇宙船内で画像を収集し処理しましたが、LONEStarは地球での人間の分析に頼りました。また、DS1が小惑星に焦点を当てたのに対し、LONEStarは惑星に焦点を移し、宇宙船のナビゲーション方法において重要な変化をもたらしました。

LONEStarは、遠い宇宙の惑星の画像だけを用いてナビゲーションを成功裏に実証した最初の事例として認識されています。これは、理論的には何年も提唱されていた方法を使用して、実際に証明されたものです。

#月面フラッシュライトのミッション設定

LFのミッションは、複数の組織の共同作業によって組織されました。ジェット推進研究所（JPL）がプロジェクトを主導し、マイクロプロセッサーや無線システムなどのさまざまな重要コンポーネントを管理しました。推進システムはジョージアテックとNASAのマーシャル宇宙飛行センターによって設計・製造されました。

LFは2022年12月11日に打ち上げられ、月に到達する予定でした。しかし、さまざまな技術的課題があったため、月の予定軌道に入ることができませんでした。これらの問題を解決しようと何度も試みましたが、2023年5月に主要な目標を無事に完了した後、ミッションは終了と宣言されました。宇宙船は次に地球-月システムを離れ、太陽の周りの軌道に入りました。

#光学ナビゲーション機器の概要

光学ナビゲーションプロセスには、Blue Canyon TechnologiesのXACT-50というカメラが使用されます。この装置はLF宇宙船をガイドし制御するために重要です。このデバイス内のスター・トラッカーはカメラとしても機能します。カメラは他の天体との相対位置を決定するための画像をキャプチャします。

このカメラは特定の向きに取り付けられており、一度に保存できる画像の数には限界があります。最大で5枚の画像しか保持できず、その後は宇宙船のコンピュータに転送する必要があり、各画像セットは「画像ブロック」と呼ばれます。

#画像取得と処理

LONEStarキャンペーンは複数の段階で行われ、最初に星の画像を取得してキャリブレーションを行いました。この時、地球と月が同じフレームに収まることがよくありました。チームは有利な条件を利用して、2つの惑星の画像を同時にキャプチャし、画像がクリアであることを確保するためにさまざまな露出設定で作業しました。

画像を収集する際、チームは太陽放射が宇宙船のシステムに影響を与えるといった課題に直面し、一時的に作業が中断されました。しかし、彼らは回復し、撮影作業を続けることができました。

#明るい天体の画像取得の課題

LONEStarチームは、カメラが飽和しないように惑星の画像をキャプチャしたいと考えていました。これを解決するために、異なる露出時間を使用して、惑星と背景の星が同時に見えるようにしました。

最良の結果を得るために、チームはしばしば短い露出時間の惑星の画像と、周囲の星の長い露出時間の画像を組み合わせて使用する必要がありました-これらすべての努力により、信頼性のあるナビゲーションソリューションを作成することが可能になりました。

#三角測量の手法

三角測量は、宇宙船の位置を特定するために角度と距離を測定することを含みます。LONEStarでは、さまざまな三角測量技術を使用してこの目的を効果的に達成しました。直接線形変換（DLT）がその一つで、見えた角度に焦点を当てました。また、連続する2つの画像に基づいて位置を計算するための中点アルゴリズムも使用され、近くにある惑星の画像を1ショットで捉えられない場合に特に役立ちました。

さらに、線形最適正弦三角測量（LOST）アルゴリズムという進歩も利用されました。この方法により、同時に2つのオブジェクトを観察する際に、より正確な測定が可能になり、画像から収集されたデータを最適化しました。

#動的および連続三角測量のプロセス

同時三角測量は2つの惑星を1つの画像にキャプチャするのに成功しましたが、これが実現できない場合もありました。その場合、チームは連続三角測量を使用し、短時間で複数の画像を撮ることができるようにしました。これによって、LONEStarは近くの惑星の画像を基に計算された位置を改善できました。

時々、連続画像の間にもう少し時間を与えることで、動的三角測量を行い、対象が遠く離れて見えたとしても宇宙船の位置を良い推定値として生成できました。

#地球と月との光学ナビゲーション

LONEStarは、遠い惑星の他に、地球と月に関しても従来の光学ナビゲーション手法を利用してデータを収集しました。これには、同じフレーム内に地球と月を収めた画像のキャプチャが含まれました。

これらの天体の画像取得には課題がありましたが、LONEStarは地平線ベースのナビゲーションのような巧妙な技術を用いて、宇宙船の位置を正確に決定するための有用なデータを取得することができました。

#結果と発見

遠い惑星と地球・月を使ってナビゲートした結果、LFは成功に位置を特定しました。彼らは通常、許容誤差の範囲内に収まる位置推定を達成し、宇宙船の位置を正確に決定することができました。

LONEStarからの発見は、今後のミッションが光学ナビゲーション技術のみに依存できる可能性を示しており、宇宙の広大さの中で宇宙船の位置を特定するための実行可能な方法を提供しています。

#光学ナビゲーションの未来

LONEStar実験の成果は、今後の宇宙ミッションで光学ナビゲーションが使用される道を開きます。惑星の画像だけに基づいて宇宙船の位置を特定できる能力は、この分野の進歩を示し、天体ナビゲーション技術のさらなる探索を促進します。

チームの取り組みは、技術がどのように進化して宇宙船の機能を向上させ、従来のナビゲーション方法への依存を減らし、宇宙探査が進む中で光学ナビゲーションが未来のミッションを指導するより信頼性のある効率的な方法を約束していることを反映しています。