NASA新“月球背包”可生成实时3D地形图以帮助月球探险者

运动学导航和制图背包(KNaCK)是一个移动激光雷达扫描仪，其采用了一种利用光探测和测距激光测量距离的遥感技术。它就像一个徒步旅行背包一样可以穿在身上，使用一种称为频率调制连续波(FMCW)激光雷达的创新类型来提供每秒数百万数据点的多普勒速度和范围。这些测量点产生一个实时导航系统，进而为探险者提供一个3D“点云”或周围环境的高分辨率表示。

行星科学家Michael Zanetti博士在阿拉巴马州亨茨维尔的NASA马歇尔太空飞行中心领导KNaCK项目，他认为这是测量人员使用的激光测距仪或帮助智能汽车避免碰撞的令人难以置信的敏感接近警报器的超级版本。

“基本上，该传感器是一个用于导航和科学绘图的测量工具，它能以厘米级的精度创建超高分辨率的3D地图并赋予它们丰富的科学背景。另外，它还将帮助确保宇航员和漫游车在月球这样的GPS否认的环境中的安全、识别到遥远的地标的实际距离并实时显示探险者已经走了多远及还有多远才能到达目的地，”Zanetti说道。

这是一个关键的挑战，因为Artemis时代的探险家们正在准备进行第一批现代月球任务以及有史以来第一次前往月球南极。在那里，太阳从未在月球地平线以上3度升起，这使得大部分地形处于深深的阴影之中。

KNaCK项目于2020年在NASA的Early Career Initiative的资助下启动，通过跟汉茨维尔的Torch Technologies Inc.合作来开发背包原型和相关的导航算法。据悉，该算法允许在没有GPS的情况下进行精确测绘。该项目的商业供应商--加利福尼亚州山景城的Aeva则正在提供FMCW-激光雷达传感器和支持。

据了解，探险者可以在漫游期间和徒步旅行时通过使用KNaCK精确地绘制地形图--包括深沟、山脉和洞穴等地形。激光雷达甚至可以在漆黑的环境中工作，这使得宇航员不必拖着笨重的照明装置到处走。

“作为人类，我们倾向于根据地标来确定自己的方向--一个特定的建筑物，一片树林。（但）这些东西在月球上并不存在。KNaCK将不断地使穿越地表的探险者确定他们的运动、方向和对远处山峰或他们的行动基地的定位。他们甚至可以标记出他们发现一些独特的矿物或岩层的具体地点，这样其他人就可以很容易地返回进行进一步研究，”Zanetti说道。

这对于在时钟上的宇航员来说是至关重要的，他们的远足会受到他们衣服中氧气供应的限制。Zanetti表示，KNaCK的超高分辨率精度--比传统的月球地形图和高程模型大一个数量级--使其成为在距离任务控制中心238,900英里之外进行科学和任务操作的重要资源。

据悉，该硬件将于4月下旬在NASA位于新墨西哥州Kilbourne Hole的太阳系探索研究虚拟研究所(SSERVI)展开另一次重要的实地测试。该团队之前曾于2021年11月在那个古老的火山口（估计有25000-80000年的历史）对KNaCK系统进行过测试。另外，他们最近还用它对NASA佛罗里达州肯尼迪航天中心的6英里长的海堤沙丘进行了3D重建，这些沙丘保护着其主要的火箭发射台。肯尼迪和马歇尔的工程师们将继续使用KNaCK来评估风暴对沙丘侵蚀的影响，并在进一步完善系统的同时确保未来飞行任务的安全。

接下来，KNaCK团队将努力使硬件小型化--目前背包原型重约40磅--并使敏感的电子装置能免受微重力和太阳辐射的负面影响。