歐空局在工程模型上測試了Juice 太空船的導航軟體，為2031 年飛越木衛四做準備，確保它能在通訊嚴重延遲的情況下自主導航。七年後的2031年4月，歐空局的”Juice”號任務將飛越木星的衛星木衛四，讓科學家們一睹這個神秘、佈滿火山口的外星世界。

歐空局的木星冰月探測器（Juice）將於2032年6月首次瞥見古老的、佈滿火山口的木衛四（Callisto），並在2034年最後一次飛越之前21次呼嘯而過該衛星。在這些近距離接觸中，”Juice”將收集有關月球的珍貴科學寶藏。圖片來源：歐空局

這看似遙遠，但在太空船運作的世界裡，任何時候開始準備都不太早。位於德國的歐空局ESOC 任務運行中心的團隊最近”欺騙”了Juice 的工程模型，讓它以為自己已經在木衛四，以便對任務的自主導航軟體進行測試。

當”Juice”號抵達木衛四時，地球和木星系統之間巨大的通訊延遲意味著，一旦出現問題，它將無法等待任務控制中心的回應。

雖然我們對2031 年4 月木衛四的位置有一個很好的概念，但我們對其位置的了解還不夠精確，無法保證”Juice”號的軌跡將以完全正確的方式穿過木衛四的引力場，從而完美地進行高精度的科學測量。

在木星和地球之間發送和接收訊息所需的時間裡，Juice 遙感儀器的指向可能會偏離軌道，以至於錯過科學研究，影響關鍵任務目標的實現。

歐空局的”Juice”號太空船正在前往木星的途中，但它的”雙胞胎”最近也完成了自己的特殊旅程，抵達了歐空局ESOC 任務控制中心的新家。圖片來源：歐空局

即使是微小的偏差也會對科學產生可怕的影響，因為”Juice”號的一些儀器需要對準木衛四的特定區域，誤差必須在極小的幾分之一度之內，才能進行測量。

“我們需要”JUICE”號能夠用自己的”眼睛”和”大腦”做出反應，”飛行操作主管伊格納西奧-坦科（Ignacio Tanco）說。 “當木衛四號出現在其導航相機的視野中時，它需要能夠識別月球表面的重要特徵，旋轉自身以將儀器對準它們，然後繼續旋轉，以便在飛過時將它們保持在視野中” 。

歐空局的團隊駕駛太空船飛往太陽系中令人興奮的新目的地。為了進行重要活動的訓練，並幫助診斷和解決數百萬公里外的太空船遇到的問題，他們使用了留在地球上的獨一無二的複製品。這個”工程模型”是被送往深空的硬體、軟體、電氣系統和儀器的精確複製品。

“Juice”團隊用它的工程模型來測試自主導航軟體，該軟體將使”Juice”號在木星系統中保持正常運作。

他們將一系列月球影像投射到”Juice號”忠實複製的太空船導航相機上，欺騙”Juice”，讓它以為自己在木衛四，看看它將如何反應。

電腦生成的木星衛星木衛四圖像之一，用於在2024 年3 月測試Juice 工程模型的能力。當”Juice”在2031年經過真正的木衛四時，科學家們將看到這個神秘的、佈滿火山口的外星世界，這就是航天器導航相機所看到的木衛四。圖片來源：歐空局/空中巴士

這些由電腦模型產生的高解析度圖像描繪了”Juice”七年後抵達時將看到的木衛四的準確方位和相位。

歐空局太空船運行工程師朱利奧-平贊（Giulio Pinzan）說：「這並不像提前準備影像和在導航相機前播放影片那麼簡單。導航軟體必須對這些影像做出反應。如果它發現接近木衛四的角度不對或朝向稍有錯誤，它就必須在沒有我們幫助的情況下嘗試糾正這些錯誤，這意味著木衛四的視圖必須對航天器的行動做出實時反應。是在’Juice’的相機上綁上了一個沉浸式VR頭顯，讓它在這個虛擬空間裡獨立移動。

來自歐空局和Juice的製造商空中巴士公司的團隊為木衛四飛越測試分配了三天時間。太空船操作員、科學家以及機械、電氣和軟體工程師都預計要花費數天的時間來遇到和解決問題，最終實現乾淨利落的飛越，使Juice 完全按照他們的要求做出反應。

讓這次測試更具挑戰性的是，他們無法使用太空船操作工具包中最重要的工具之一。通常，在對太空船的實體工程模型進行類似的複雜測試之前，首先要在沒有實體部件的全數位軟體模擬器上進行測試。

大多數問題都是在模擬器上遇到和解決的，只有當操作人員已經對測試結果有了很好的了解時，才會在物理工程模型上進行測試。

歐空局太空船運作工程師Giulio Pinzan 在ESOC 的Juice 工程模型前。工程模型用於測試太空船的操縱，診斷和解決飛行模型在數百萬公里之外遇到的任何問題。 Juice”工程模型位於飛行模型控制室旁大樓內的一個氣候控制設施。圖片來源：歐空局

朱利奧-平讚說：「但這種情況非常複雜，目前無法用Juice 軟體模擬器進行模擬。我們完全是在盲目地進行這次測試」。

然而，儘管他們滿懷期待，團隊還是在第一天的首次嘗試中取得了成功。 “Juice”的導航軟體鎖定了木衛四的正確區域，使其儀器直接對準這些區域，並在艱難的飛越過程中安全地保持了正確的軌跡。

朱利奧說：”我們真的要特別表揚一下我們的飛行動力學團隊。他們的數學計算準確無誤，使我們能夠在第一次嘗試時就順利完成飛越，儘管他們通常缺乏使用軟體模擬器進行實驗的經驗。需的所有細節”。

這段影片展示了”朱利斯”號飛越地月系統的過程。這被稱為”月地重力輔助”（LEGA），在世界上尚屬首次：”JUICE”號通過執行這一機動–在月球上進行重力輔助飛越，1.5 天后再飛越地球–將能夠在旅途中節省大量推進劑。圖片來源：ESA/Lightcurve Films/R. 安德烈斯

木衛四飛越是”Juice”號將面臨的最艱鉅的任務之一，也是工程模型最難設定和執行的任務之一。

二月份，模型從法國空中巴士公司運到德國ESOC。隨著最後一次測試的順利完成，該模型現已完全安裝完畢，歐空局團隊已接受瞭如何使用該模型的全面培訓，並已正式移交。

Juice 小組現在需要透過在太空中進行類似的測試來確認飛行模型的行為與工程模型完全相同。不過，只有在飛越行星時才有機會用Juice 的導航相機追蹤大型物體。

即將於今年8 月進行的月地引力輔助測試不在此次測試之列。在這次雙星飛越中，”JUICE”號將飛越月球，然後在不到24 小時後飛越地球，以便迅速從兩個天體中獲取能量。這是一個從未嘗試過的非常微妙的操作，所有人員都需要做好準備，隨時應對任何異常情況。

編譯自/ scitechdaily