火星でのイメージング技術に新境地

著者:  Danny Scheffer  - 04-16-2021 

世界中で自律走行車が話題になっている中、NASAは先日、火星に自律走行車を着陸させました。2021年2月18日、「マーズ 2020 (Mars 2020)」ミッションは、火星探査ローバー「パーサヴィア(Perseverance)」を火星の地表に無事送り出しました。リアルタイムではありませんが、ローバーが大気圏に突入し、降下し、最終的に着陸する様子を世界中が見守りました。

この突入、降下、着陸のプロセスは、EDLと呼ばれ、すべて自律的に行われました。なぜなら、ローバーが送信してからミッションコントロールが受信するまでの時間が、当時は約11分もあったからです。

これまでのミッションでも同じような問題に直面していましたが、火星へのミッションのうち着陸に成功したのは全体の約40%。それだけでも「パーサヴィア」は成功したと言えますが、さらに驚くべきことに、このローバーは降下中に積極的にナビゲーションを行った初めてのミッションでした。これを実現したのは、「マーズ 2020」ミッションのために開発された新しいシステムです。これを実現したのは、「地形照合航法(Terrain-Relative Navigation)」という「マーズ2020」ミッション用の新しいシステムです。

これまでのミッションでは、大気圏に突入する前に収集したデータを使って着陸地点を決定していました。そのため、これまでのローバーは着陸地点から科学的に興味のある場所まで、数日から数週間かけて移動しなければなりませんでした。また、これまでの着陸地点は、科学的な興味ではなく、比較的スムーズに着陸できるという理由で選ばれていました。目隠しをした状態でローバーを着陸させることはあまりにも難しく、搭載されているセンサでは補うことができませんでした。画像センサを使って、着陸の様子をライブ映像で伝えれば、目隠しがなくなります。

また、「地形照合航法」ではすべてが変わります。探査機が実際に着陸する場所をコントロールできるので、より困難な着陸地点を狙うことができるようになります。その結果、パーサヴィアをジェゼロ(Jezero)クレーターに着陸させることができたのです。また、今後のローバーは、より自由に、着地できる場所だけでなく、着地したい場所に着地できるようになるでしょう。

探査機が地表に降りる際には、風景の画像を撮影して、搭載されている画像ライブラリと比較しながら航行しました。画像の中のランドマークを識別して、オリエンテーションとナビゲーションに利用しました。EDLシステムは、自分の位置情報をもとに、地図上の別のライブラリを参照し、目的地までナビゲートします。また、降下中に目的地に到達できないと判断した場合は、位置情報をもとに調整することも可能です。

これは、火星探査技術の大きな進歩であり、市販のイメージセンサを使ったカメラによって実現されました。これは、COTS(Commercial Off-The-Shelf、商用オフザシェルフ)技術を利用するというNASAの戦略の一環でした。

パーサヴィアのミッションには合計23台のカメラが搭載されていますが、そのうち19台はローバー本体に搭載されており、そのうち16台はローバーが地表にいる間に使用することを目的としています。残りの7台のカメラは、ローバーと進入車両の両方に搭載され、主にEDLフェーズをサポートするために存在していました。オン・セミコンダクターは、これら7台のカメラのうち、6台のイメージセンサを供給しました。

図1. パーサヴィアが火星に降下する際に、パラシュートアップルックカメラAで撮影された画像
画像出典:NASA/JPL-Caltech

 

これらのカメラのいくつかの映像は、今では何百万回も視聴されています。Nasaは、ミッションのEDLフェーズの映像を提供しました。パラシュート・アップルック・カメラ(PUC)と呼ばれる3台のカメラは、降下中にパラシュートが開く様子を純粋に観察するために使用されました。これによって得られた情報や洞察は、今後のミッションに生かされます。PUCカメラは、パラシュートが展開されてから約35秒間は75fpsで動作し、その後は30fpsに切り替えて降下を続けました。他の2台のカメラ(ローバー・アップルック・カメラ(Rover Uplook Camera、RUC) とローバー・ダウンルック・カメラ(Rover Downlook Camera 、RDC))も同様の情報を提供し、EDL期間中は30fpsで動作しました。

図2. 「パーサヴィア」ローバー・アップルック・カメラによる下降中の画像
画像出典:NASA/JPL-Caltech

 

PUC、RUC、RDCに使用されているセンサは、1.3メガピクセル、1/2インチ、1280×1024ピクセルのCMOSイメージセンサであるPYTHON1300です。この3台のカメラで、「恐怖の7分間」の間に合計27,000枚以上の画像を撮影しました。

現在、火星に設置されている6台目のオン・セミコンダクター社製イメージセンサはPYTHON5000で、面積1インチ、画素配列2592×2048ピクセルの5.3メガピクセルのイメージセンサです。このセンサはランダービジョンシステム(Lander Vision System)に使用されており、LCAMと呼ばれています。このカメラは90°×90°の視野を持ち、搭載されている地図上の位置を特定する地形照合航法システムへの入力を行います。

 

これらのカメラやイメージセンサがなければ、パーサヴィアは着陸できなかったというのは正確ではありません。過去の成功例を見れば、それは可能です。しかし、カメラがなければ、地形相対航法システムが作動しなかったと言ってもいいでしょう。その結果、NASAは火星の全く新しい領域を探査することができました。その領域は、火星に微生物が生息していることを証明するものになるかもしれません。これは、ミッションに何らかの形で関わっているかどうかに関わらず、誰もが祝福できることです。

 

オン・セミコンダクターのイメージセンサのポートフォリオの詳細、および最新の産業用イメージングソリューションを以下でご覧ください。

  • XGS 45000、CMOSイメージ・センサ、44.7 Mp、グローバル・シャッタ
  • XGS 32000、CMOSイメージ・センサ、32.5 Mp、グローバル・シャッタ
  • XGS 5000、CMOSイメージセンサ、5.3 MP、グローバルシャッタ

 

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Tags:IoT, Industrial, Internet of Things, Aerospace, Image Sensor
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