美国宇航局正在开发几个传感器系统和算法，用于阿尔忒弥斯号登月。它被称为“安全精确着陆-综合能力进化”(SPLICE)技术套件。它由三个主要部分组成:一个惯性测量单元(IMU)和一个地形相对导航相机。其次是多普勒激光雷达，以确定着陆器的速度和高度。第三是一个危险探测激光雷达扫描表面，以创建一个三维地图的着陆场。宇宙飞船相当于自动驾驶汽车。
阿波罗号宇航员接受过训练，能够识别着陆过程中需要导航的特定月球表面位置和特征。他们会看着窗外，利用这些地标来测量它们与预定着陆区域的相对位置，然后手动将着陆器飞到预定位置。SPLICE地形相对导航(TRN)系统将通过将实时图像与预装的月球表面地图进行比较，自动完成Artemis上的相同任务。
降落在一个椭圆
在选择着陆地点时，部分分析是为了确保安全着陆有足够的空间。由于降落技术的不精确，降落区是一个椭圆，而不是一个圆。椭圆考虑的是着陆器快速前进的速度，而横向移动的潜力则有限得多。当阿波罗11号宇航员在1968年进行人工着陆时，着陆椭圆测量为11 x 3英里。早期的自动着陆技术需要更大的着陆椭圆。当海盗号着陆器在1976年到达火星时，自动着陆系统所需的着陆椭圆是174 x 62英里。到2012年，好奇号火星漫游者的着陆椭圆缩小到12 x 4英里，几乎和阿波罗号的着陆区域一样小。在阿耳特弥斯上使用SPLICE技术将使多个任务能够在比阿波罗宇航员使用的11 x 3英里的椭圆区域更小的区域安全着陆。SPLICE包含四个核心技术和功能:
- 导航多普勒激光雷达
- 地形相对导航
- 危害检测激光雷达
- 降落计算机
在降落过程中的不同点使用不同的技术(图1)。甚至在降落开始之前，一个或多个绕月卫星将拍摄一系列图像，并创建接近和着陆椭圆的地图。当阿耳特米斯降落时，SPLICE的TRN系统将使用一台相机每秒捕捉多达10张地表图像，并将其与卫星预装的地图进行比较。实时对比图像，并将这些信息与IMU传感器的数据融合，使下降和着陆计算机(DLC)能够计算着陆器的位置，并避免已知的危险，如火山口和山丘。SPLICE系统将允许在更接近科学兴趣区域的地方着陆，最大限度地减少使用漫游者驾驶到所需位置的需要。
导航多普勒激光雷达(NDL)在距海面4英里(6.4公里)处启动。NDL提供关于着陆器速度和高度的信息，有助于提高DLC上的制导和导航算法的精度。在研发NDL系统之前，月球和火星上的着陆器依靠雷达系统测量速度和高度。基于雷达的系统更大、更重、更耗电，而且比基于lidar的NDL系统精度低得多。
在下降的最后时刻，着陆器旋转到垂直方向以实现软着陆。在距离地面约1600英尺(500米)处，危险探测激光雷达(HDL)启动，拍摄地面的详细图像，并立即创建着陆区详细的三维(3D)地图。高密度脂蛋白向表面发出一系列快速的(纳秒)激光脉冲，一个光电传感器测量返回时间，称为飞行时间(ToF)。到地表的距离是用ToF的一半乘以约30厘米/秒(光速)计算出来的。
数以百万计的ToF测量结果被结合起来产生一个点云。DLC中的图像处理软件使用点云数据创建着陆区域的3D地图。然后，DLC使用3D地图定位较小的危险，如太陡的斜坡或太大的岩石，并在直径330英尺(100米)的圆形最终着陆区确定安全着陆点。关于激光雷达在月球上的使用仍有一些未知之处。如果着陆区地面上的材料反射不够，返回的信号就会很弱。在阿耳特弥斯号飞往月球之前，减少这些不确定性的工作仍在进行中。
新谢泼德的实验
蓝色起源的New Shepard火箭，而不是乘员舱，被用作各种SPLICE组件的试验台。太空舱不使用自动化系统;它首先部署一组降落伞来减缓速度，然后再部署三组较大的降落伞，以大约每小时15英里的速度将太空舱轻轻带上岸。当太空舱在飞行过程中与新谢泼德火箭分离时，SPLICE测试就开始了。
新谢泼德使用自己的自动化系统进行实际着陆，但SPLICE组件是被激活的，就像在阿耳特弥斯任务中使用的一样。TRN使用存储的表面图像数据来识别下降过程中的特征和危险。NDL收集关于新谢泼德的位置和速度的数据。来自这些和其他传感器的数据被输入到DLC的原型中。除了测试各种传感器套件，New Shepard上的飞行还设计用于识别支持完整SPLICE操作和集成到Artemis所需的计算能力。DLC和主飞行计算机之间计算任务的精确划分仍在确定中，以优化(最小化)DLC的大小、重量和功耗，同时不使主飞行计算机过载。
导航多普勒激光雷达
NDL为三束激光束提供每秒20次的超精确速度和距离测量，并被输入制导计算机。NDL测量用于着陆器制导、导航和控制(GN&C)子系统，以最小化速度和位置的导航误差(最小化着陆椭圆尺寸)，并在最终下降过程中严格控制垂直和横向轨迹。NDL工程测试单元(ETU)包括一个光学头，容纳三个光纤耦合望远镜和电子底盘(图2)。当集成到Artemis时，三个望远镜可以根据需要分离，以优化航天器的设计。NDL ETU望远镜头重约2公斤，电子底盘重约10.9公斤，尺寸为37 x 25 x 18厘米。系统平均功耗为77w。它被设计用来分别达到+/-215米/秒和7+千米的视距速度和射程性能，精确度分别达到2厘米/秒和2米的量级。
危害检测激光雷达
HDL是一种扫描阵列激光雷达，集成了光束转向机制和探测器阵列，可以在几秒钟内生成精确的三维地形图。它包括一个电子-光子学组合盒以及一个光纤耦合光学头。一个望远镜和两个旋转的里斯利棱镜在光学头。里斯利棱镜是一对楔形棱镜，可用于在较宽的角度范围内连续扫描中等大孔径的光束。在望远镜头部，里斯利棱镜被控制到指定的扫描模式，以最大限度地对地面像素进行过采样，以消除映射间隙。当从500米范围和接近垂直下降时，HDL在2秒内生成直径100米的圆形地图，地面距离为5厘米，距离精度为1厘米(图3)．HDL在下降过程中可以在多个范围内操作，用于其他精确着陆和危险规避(PL&HA)功能，如早期站点评估、TRN地图更新、与其他航天器交会和对接/停泊，以及接近导航、接触和对较小天体的检索任务。地面数据还可以提供高分辨率地图和强度图像，以指导任务科学和规划地面行动。
总结
SPLICE系统将使阿尔忒弥斯号宇宙飞船实现自动登月。它由几个子系统组成，包括导航多普勒激光雷达、地形相对导航、危险探测激光雷达和下降和着陆计算机。蓝色起源的新谢泼德火箭被用作子系统的测试台，并帮助确定在下降和着陆计算机和主飞行计算机之间的计算任务的最佳分配。
参考文献
改变游戏规则的开发SPLICE:安全和精确着陆-集成能力演进,美国宇航局
NASA月球着陆器参考设计,美国宇航局
NASA SPLICE项目:开发下一代危险探测系统,美国宇航局
SPLICE项目:安全精确着陆技术开发与测试，AIAA科技2021论坛
了下:传感器提示
