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2025-01-11T11:41:43Z

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'''TriDAR''' ('''Triangulation and LIDAR Automated Rendezvous and Docking''')<ref name=":1">{{Internetquelle |autor=Michael Johnson |url=http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/news/b4h-3rd/it-automating-better-space-rendezvous |titel=Automating a Better Rendezvous in Space |werk=[[nasa.gov]] |datum=2019-03-08 |sprache=en |abruf=2023-08-28}}</ref> ist ein visuelles [[Navigationssystem]], welches von dem [[Kanada|kanadischen]] Raumfahrtunternehmen [[Neptec]] entwickelt und dessen Entwicklung von der [[Canadian Space Agency]] (CSA), sowie der [[NASA|amerikanischen Raumfahrtbehörde]] (NASA) finanziert wurde.<ref name=":0">{{Literatur |Autor=Stéphane Ruel, Tim Luu, Andrew Berube |Titel=Space shuttle testing of the TriDAR 3D rendezvous and docking sensor |Verlag=[[John Wiley & Sons]] |Datum=2012-01-03 |Sprache=en |ISSN=15564959 |DOI=10.1002/rob.20420}}</ref> Das System ermöglicht eine Unterstützung beim An- und Abdocken von unbemannten Raumschiffen im Weltraum. TriDAR beruht auf einem [[laser]]basierten 3-D-Sensor und einer [[Wärmebildkamera]]. Die Software von TriDAR nutzt die geometrischen Informationen der 3-D-Aufnahmen, um sich an den Konturen des Objektes zu orientieren. So kann sie die genaue Position berechnen.

TriDAR wurde erstmals an Bord des [[Space Shuttle Discovery]] auf der Mission [[STS-128]] getestet, deren Start am 29. August 2009 um 03:59 UTC erfolgte. Das System unterstützte die Astronauten beim [[Rendezvous (Raumfahrt)|Rendezvous]] und dem Andockmanöver an der [[Internationale Raumstation|Internationalen Raumstation (ISS)]]. Das System erfasste erfolgreich die Raumstation aufgrund ihrer Form und errechnete die benötigten Daten. Bei dem Test war es das erste Mal, dass ein 3-D-Sensorsystem im Weltraum genutzt wurde.<ref>{{Literatur |Autor=S. Ruel, T. Luu |Titel=STS-128 on-orbit demonstration of the TriDAR targetless rendezvous and docking sensor |Sammelwerk=2010 IEEE Aerospace Conference |Verlag=[[Institute of Electrical and Electronics Engineers]] |Datum=2010 |Sprache=en |ISSN=1095-323X |DOI=10.1109/AERO.2010.5446759}}</ref>

== Entwicklung ==
Als Teil des NASA Authorization Act of 2010 der US-Regierung wurde ''Autonomous Rendezvous And Docking'' (AR&D) als Schlüsseltechnologie eingestuft. TriDAR wurde von Neptec im Rahmen dieses Programms entwickelt. Ursprünglich sollte die Technologie auf der ''Hubble Robotic Vehicle mission'' (HRV) eingesetzt werden. Dabei war geplant, ein Raumfahrzeug mit TriDAR auszustatten, um ein [[Rendezvous (Raumfahrt)|Rendezvous]] mit dem [[Hubble-Weltraumteleskop|Hubble-Teleskop]] durchzuführen und dies anschließend zu warten. Aufgrund der [[Columbia-Katastrophe]] wurden alle Flüge mit Space Shuttles zunächst ausgesetzt und dann auf Missionen zur ISS begrenzt. Dies bedeutete auch die Einstellung der Planung der HRV-Mission. Die TriDAR-Technologie wurde jedoch weiterentwickelt und ein Prototyp konnte bei verschiedenen Demonstrationen erfolgreich getestet werden. Dies führte dazu, dass die NASA sie für die Missionen STS-128 und STS-131 auswählte.<ref name=":0" />

== Funktion ==
Zweidimensionale Bildverarbeitungssysteme messen nur die Intensität des reflektierten Lichts und leiten aus dem Reflexionsvermögen der Oberflächen dann Eigenschaften wie Form, Größe und Entfernung ab. Bei schwierigen Lichtverhältnissen oder falscher Kalibrierung der Kamera kann es zu fehlerhaften Messungen kommen, weshalb der Einsatz im Weltraum sich als kompliziert gestaltet.<ref>{{Literatur |Autor=Granade S.R., LeCroy J. |Titel=Analysis and design of solid corner cube reflectors for a space navigation application |Sammelwerk=Autonomous satellite rendezvous and docking using lidar and model based vision |Band=5798 |Verlag=[[SPIE (Optik)|SPIE]] |Datum=2005-05 |Sprache=en |DOI=10.1117/12.604011}}</ref> Weiterhin lassen sich Navigations- und Vermessungssysteme, die auf 3D-Technologie basieren, sich häufig in zwei Kategorien einteilen.<ref>{{Literatur |Autor=Chad English, Adam Deslauriers, Iain Christie |Titel=The complementary nature of triangulation and ladar technologies |Sammelwerk=Laser Radar Technology and Applications |Band=5791 |Verlag=[[SPIE (Optik)|SPIE]] |Datum=2005-05 |Sprache=en |DOI=10.1117/12.603788}}</ref> Zum einen gibt es positionsbasierte Technologien, wie zum Beispiel die Nutzung von [[Triangulation (Messtechnik)|Triangulation]], welche zwar hohe Genauigkeit auf kürzere Distanz liefert und gegenüber Veränderungen der Beleuchtung unempfindlich ist,<ref>{{Literatur |Autor=Ying He, Bin Liang, Jin He, Shunzhi Li, |Titel=Non-cooperative spacecraft pose tracking based on point cloud feature |Sammelwerk=[[Acta Astronautica]] |Band=139 |Verlag=[[Elsevier]] |Datum=2017 |Sprache=en |ISSN=0094-5765 |DOI=10.1016/j.actaastro.2017.06.021 |Seiten=213-221}}</ref> aber mit steigender Entfernung stark nachlässt. Auf der anderen Seite gibt es zeitbasierte Technologien, zu denen unter anderem [[Lidar]] zählt. Diese zeigen höhere Präzision auf größeren Entfernungen, bieten jedoch auf kurze Distanz keine Verbesserung.<ref>{{Literatur |Autor=Chad English, Sean Zhu, Christine Smith, Stephane Ruel, Iain Christie |Titel=TriDAR: A Hybrid Sensor For Exploiting The Complementary
Nature Of Triangulation And Lidar Technologies |Verlag=[[Neptec]] |Datum=2005-09 |Sprache=en |Online=https://robotics.estec.esa.int/i-SAIRAS/isairas2005/session_09a/4_english_9a.pdf |Format=PDF}}</ref>

Das TriDAR-System funktioniert ähnlich wie ein Radar oder [[Sonar]], aber anstatt Funk- oder Schallwellen von Objekten abprallen zu lassen, um deren Form und Lage zu erkennen, werden Laserstrahlen reflektiert. Anschließend vergleicht es das erkannte Objekt mit einem gespeicherten Computermodell des Ziels, um dem Raumfahrzeug Anweisungen für die Ausrichtung zu geben. Dafür ist vor allem der [[Algorithmus]], den Neptec noch vor der Hardware entwickelt hat verantwortlich. Dieser wurde auf Basis von Lidar-Daten entwickelt und benötigt nur wenige Informationen, um Objekte zu erkennen und die Positionen des Raumfahrzeugs einzuschätzen.<ref>{{Literatur |Autor=Chad E. English, Stephane Ruel, Len Melo, Philip M. Church, Jean Maheux |Titel=Development of a practical 3D automatic target recognition and pose estimation algorithm |Sammelwerk=Automatic Target Recognition |Band=5426 |Verlag=[[SPIE (Optik)|SPIE]] |Datum=2004-09 |Sprache=en |DOI=10.1117/12.541382}}</ref> Bei dem für TriDAR entwickelten Ansatz tastet der Sensor die Zieloberfläche über einen großen Bereich ab und gleicht alle erfassten 3D-Daten direkt mit dem Referenzmodell des Objekts ab.<ref name=":0" />

Als Sensor wird ein sogenannter [[Flying spot|Flying-Spot-Scanner]] verwendet, der einen Laserstrahl mit einer großen Reichweite erzeugen kann. Dieser kann die zur Positionseinschätzung erforderlichen Daten in etwa 100 Millisekunden erfassen. Zum einen wird eine [[Continuous wave]] auf eine Zielfläche projiziert. Die Position des reflektierten Bildes auf einem versetzten linearen Detektor hängt von der Entfernung zur Oberfläche an dieser projizierten Position ab. Die Messung der Bildposition gibt dann die Entfernung an. Dieses [[Triangulation (Messtechnik)|Triangulationsprinzip]] kann sehr genaue Entfernungsmessungen im Nahbereich liefern, aber ist in der Regel nur bis zu einer Entfernung von 10 bis 20 m praktisch.<ref>{{Literatur |Autor=Claire Samson, Chad E. English, Adam M. DesLauriers, Iain Christie, and Francois Blais |Titel=Imaging and tracking elements of the International Space Station using a 3D autosynchronized scanner |Sammelwerk=Acquisition, Tracking, and Pointing |Band=4714 |Verlag=[[SPIE (Optik)|SPIE]] |Datum=2002-07 |Sprache=en |DOI=10.1117/12.472603 |Seiten=87–96}}</ref> Bei der TriDAR-Technik wird zusätzlich noch ein [[Time-of-flight-Sensor]] mit Lidar-Technologie verwendet. Bei diesem werden ein kurzer Laserimpuls, ein Detektor zur Messung des reflektierten Impulses und eine Zeitmessschaltung zur Messung der Zeit zwischen Impulsemission und Detektion verwendet. Der Vorteil dieser Methode besteht darin, dass sie über große Entfernungen mit relativ konstanter Entfernungsgenauigkeit betrieben werden kann, solange genügend reflektiertes Licht für eine Messung gesammelt werden kann. Das Triangulations-Subsystem wird für 3D-Messungen im Nahbereich eingesetzt, wo das LIDAR nicht so genau ist und möglicherweise durch starke Reflexionen gesättigt wird, während das LIDAR wird dann für Messungen jenseits der nützlichen Reichweite des Triangulations-Subsystems verwendet wird. Die Hardware verbraucht bei voller Geschwindigkeit etwa 65 W an Leistung.<ref name=":0" />

== Einsatz ==

=== STS-128 ===
[[Datei:TriDAR on STS-128 (iss020e035665).jpg|thumb|TriDAR am Space Shuttle bei der STS-128 Mission]]
Bei der STS-128-Mission wurde das TriDAR-System an Bord des Space Shuttles Discovery installiert. Ziel des Tests war es, mithilfe des TriDAR-Systems Objekte im Weltraum ohne die Hilfe von klassischen Zielreflektoren erfassen zu können. Dafür wurde das System in der Ladebucht des Shuttles in der Nähe des Orbiter Docking System (ODS) installiert. In einer Entfernung von 75 Kilometern zur [[Internationale Raumstation|Internationalen Raumstation]] (ISS) wurde das System aktiviert und erfasste eigenständig die Raumstation, errechnete die optimalen Andockmaßnahmen und stellte die Informationen den Astronauten im Shuttle zur Verfügung.

=== STS-131 ===
[[Bild:TriDAR on STS-131 (iss023e020008).jpg|thumb|TriDAR während der STS-131-Mission]]
Der zweite Einsatz des TriDAR wurde an Bord des [[Space Shuttle Discovery]] auf der Mission [[STS-131]] eingesetzt. Das TriDAR-System wurde während des Andockmanövers an der Raumstation eingesetzt und stellte Informationen bis zum Shuttle-R-bar-Pitch-Manöver zur Verfügung.

=== STS-135 ===
Das TriDAR wurde an Bord der Raumfähre [[Atlantis (Raumfähre)|Atlantis]] während der [[STS-135|STS-135-Mission]] zur Internationalen Raumstation eingesetzt.<ref>{{Literatur |Autor=Tim Luu, Stephane Ruel, Martin Labrie |Titel=TriDAR Test Results Onboard Final Shuttle Mission, Applications for Future of
Non-Cooperative Autonomous Rendezvous & Docking |Datum=2012 |Sprache=en |Online=https://robotics.estec.esa.int/i-SAIRAS/isairas2012/Papers/Session%204B/04B_04_luu.pdf |Format=PDF}}</ref>

=== Cygnus Orb-2 ===
Bei der [[Cygnus (Raumtransporter)|Cygnus]]-Orb-2-Mission wurde ein TriDAR-System verwendet. Dabei diente es vor allem als Backup-System und wurde hauptsächlich zu Testzwecken eingesetzt.<ref>{{Internetquelle |autor=Emily Chung |url=https://www.cbc.ca/news/science/cygnus-spacecraft-takes-ottawa-firm-neptec-s-tridar-into-space-1.2701426 |titel=Cygnus spacecraft takes Ottawa firm Neptec's TriDAR into space |werk=[[CBC/Radio-Canada]] |datum=2014-07-11 |sprache=en |abruf=2023-08-28}}</ref> Die Technologie wird auch weiterhin für die Transporter der Cygnus-Serie eingesetzt.<ref name=":1" />

== Weitere Einsatzmöglichkeiten ==
[[Bild:Autonomous Drilling Rover.jpg|thumb|TriDAR am Scarab lunar rover]]
Das System ist vielfältig einsetzbar. Das TriDAR-System kann für Rendezvous, Andockmanöver, Landungen auf Planeten, Rover-Navigation und für weitere Einsatzbereiche genutzt werden. Die Einsetzbarkeit des Systems bei Planetenerkundungen wurde bereits in Testgebieten der [[NASA|amerikanischen Raumfahrtbehörde]] (NASA) und der [[Canadian Space Agency|kanadischen Raumfahrtbehörde]] (CSA) in Hawaii demonstriert. Dazu wurde auf einem Scarab Lunar Rover der [[Carnegie Mellon University]] ein TriDAR-System installiert. Der Rover navigierte automatisch zum Ziel. Dort wurden mit dem TriDAR-System 3-D-Bilder der Umgebung angefertigt, um das beste Areal für Bohrungen ausfindig zu machen und Proben zu entnehmen.

== Weblinks ==
* [https://neptec.com/products/docking/ Tridar] auf der Website des Herstellers ''Neptec Design Group''
* [https://web.archive.org/web/20110704170225/https://www.asc-csa.gc.ca/eng/missions/sts-135/technology.asp Kurzinformation zu Tridar] auf der Website der Canadian Space Agency
* [http://ssco.gsfc.nasa.gov/workshop_2010/day3/Stephane_Ruel/OOS_Workshop_TriDAR_Presentation.pdf NASA - TriDAR weitere Informationen] (PDF; 2,2 MB)

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Raumfahrttechnik]]
[[Kategorie:Kanadische Raumfahrt]]

TriDAR - Versionsgeschichte

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