NASA успешно протестировала навигацию без GPS с помощью спутников и космического мусора

Рой спутников Starling в рамках расширенной миссии протестировал навигацию без GPS, используя бортовое отслеживание звезд для самостоятельного определения орбиты и обновления каталога космических объектов. Credit: NASA/Daniel Rutter

Миссия NASA Starling достигла очередной вехи в области автономных космических полетов, продемонстрировав систему, которая может определять положение спутника на орбите, используя другие объекты в космосе в качестве опорных точек, а не полагаясь на внешнюю навигационную сеть.

Технология, получившая название FALCON (Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation), предназначена для повышения автономности космических аппаратов. Такие возможности могут стать критически важными для будущих миссий NASA вдали от Земли, включая лунные группировки спутников, распределенные научные миссии и будущее исследование космоса человеком.

Навигация в космосе без GPS

Спутники вблизи Земли обычно полагаются на GPS для навигации, но эти сигналы могут быть слабыми, ненадежными или недоступными в районе Луны и в дальнем космосе. FALCON предлагает альтернативу, позволяя космическим аппаратам определять свое местоположение, используя то, что они могут наблюдать вокруг себя.

Полезная нагрузка FALCON — это совместный летный эксперимент, разработанный NASA и стартапом EraDrive, вышедшим из Стэнфордского университета. Система объединяет полетное программное обеспечение Era-Core и встроенные алгоритмы EraDrive с камерами Starling и бортовым каталогом известных спутников. Вместе эти инструменты обеспечивают навигацию без GPS, а также помогают космическому аппарату отслеживать активность и объекты в его окрестностях.

«FALCON — это еще один успех демонстрационной миссии Starling. Результаты FALCON могут иметь далеко идущие последствия для мониторинга космического трафика на орбите, предотвращения столкновений и альтернативной навигации», — сказал Роджер Хантер, руководитель программы NASA по малым космическим аппаратам и распределенным системам в Исследовательском центре Эймса в Кремниевой долине. «Количество „первых“ в миссии Starling продолжает расти».

Использование спутников и мусора в качестве опорных точек

Демонстрация FALCON оценила две связанные возможности с использованием бортовых камер слежения за звездами Starling. Эти камеры являются стандартными инструментами космических аппаратов, которые обнаруживают яркие объекты в космосе и помогают определить ориентацию и положение аппарата.

В ходе экспериментов по определению положения, навигации и времени FALCON идентифицировал объекты, замеченные камерами Starling, включая другие космические аппараты и орбитальный мусор, и сравнил их с общедоступным каталогом известных космических объектов, поддерживаемым Министерством обороны США. После идентификации и проверки наблюдаемых объектов FALCON использовал их в качестве опорных точек для расчета орбиты Starling.

Отдельный набор экспериментов проверил, может ли космический аппарат улучшить оценки орбит наблюдаемых объектов. Операторы миссии загрузили на Starling каталог, содержащий около 20 000 космических объектов и их прогнозируемые орбиты.

Затем FALCON сравнил данные каталога с наблюдениями, собранными камерами Starling. Используя эти измерения, он рассчитал положение Starling, одновременно уточняя расчетные местоположения других объектов в космосе. Полученные оценки оказались даже точнее, чем существующие данные каталога.

За три дня FALCON улучшил известные орбиты более 200 объектов без какого-либо вмешательства операторов на Земле.

Первая в своем роде автономная оптическая навигация

Способность FALCON самостоятельно определять свою орбиту — это первый случай для космического аппарата, ориентирующегося с помощью оптических камер, основанный на его положении относительно других объектов в космосе. В отдельных тестах обновления каталога Starling также генерировал более точные бортовые прогнозы положения объектов, чем те, что предоставлялись наземными станциями.

Эти возможности могут быть особенно ценны для будущих сетей спутников, работающих без GPS. Скоординированные спутниковые системы могут сыграть важную роль в поддержке деятельности человека на поверхности Луны или Марса.

Точное позиционирование космических аппаратов также необходимо для распределенных научных миссий, где измерения, собранные из нескольких точек в космосе, должны быть точно согласованы. Для управления космическим трафиком автономная навигация и бортовое обновление каталога могут снизить зависимость от наземных сетей слежения, одновременно улучшая предотвращение столкновений.

От университетских исследований к коммерческой технологии

Эксперимент FALCON также демонстрирует роль NASA в помощи развитию университетских исследований в коммерческие технологии. Работа началась как проект партнерства университетских малых спутниковых технологий, прежде чем превратиться в EraDrive, которая сейчас коммерциализирует свое программное обеспечение Era-Core и сопутствующее оборудование для более широкого использования.

Starling предоставил технологии возможность быть протестированной в реальных условиях на орбите, демонстрируя, как передовое полетное программное обеспечение может позволить спутникам функционировать как все более автономные навигаторы.

Позже в этом году Starling, запущенный в 2023 году, расширит эксперимент FALCON с использованием Era-Core. Четыре космических аппарата миссии будут обмениваться данными слежения друг с другом и использовать эти объединенные наблюдения для коллективного уточнения своих позиций.

Исследовательский центр NASA Эймса в Кремниевой долине Калифорнии руководит миссией Starling. Программа NASA по малым космическим аппаратам и распределенным системам, базирующаяся в Эймсе и входящая в Директорат исследовательских и технологических миссий, финансирует и управляет миссией Starling.

Источники:

Материалы предоставлены NASA.