Орбитальное испытание системы автономной навигации роя спутников

В далёком, а может, и не таком далёком будущем, в космосе вместо больших и дорогих отдельных спутников будут работать команды более мелких спутников – то, что называется: «рой». Это должно обеспечить большую точность, маневренность и автономность. Над этой темой, среди прочих, работают исследователи из Лаборатории космических сближений Стэнфордского университета. Недавно они завершили первое испытание на орбите прототипа системы, способной управлять роем спутников, используя только визуальную информацию, передаваемую по беспроводной сети.

Эксперимент получил название Starling Formation-Flying Optical Experiment, или StarFOX. Исследователи управляли четырьмя малыми спутниками, работающими в тандеме, используя для расчёта их траекторий только визуальную информацию, собранную с бортовых камер. Исследователи представили свои выводы на собрании экспертов по роевым спутникам на конференции Small Satellite Conference в Логане, штат Юта.

NASA, Министерство обороны и Космические силы США стали активно изучать использование множественных активов в координации для достижения целей, которые в противном случае было бы невозможно или очень трудно достичь с помощью одного космического корабля.

Надёжная навигация роя представляет собой значительную технологическую проблему. Текущие системы полагаются на ГНСС, что требует частого контакта с наземными системами. За пределами орбиты Земли есть Deep Space Network, но она относительно медленная и не легко масштабируется для будущих начинаний. Более того, ни одна из систем не может помочь спутникам избегать того, что называют исследователи «несотрудничающими объектами», такими как космический мусор, который может вывести спутник из строя.

Рою нужна автономная навигационная система для надёжной работы. Минимизация технических требований и финансовых затрат – тоже немаловажный фактор. Камеры, используемые эксперименте, – относительно недорогие 2D-камеры, называемые звёздными трекерами, которые сегодня можно найти на любом спутнике.

По своей сути, навигация только по углам не требует дополнительного оборудования даже при использовании на небольших и недорогих космических аппаратах. А обмен визуальной информацией между членами роя обеспечивает новую распределённую оптическую навигационную возможность.

Проводимый эксперимент объединяет визуальные измерения с отдельных камер, установленных на каждом спутнике в рое. Как при работе в открытом море с секстантом, поле известных звёзд на заднем плане используется в качестве ориентира для извлечения углов пеленга к роящимся спутникам. Затем эти углы обрабатываются на борту с помощью точных физических моделей сил для оценки положения и скорости спутников относительно вращающейся планеты — в данном случае Земли, но Луна, Марс или другие планетарные объекты также подойдут.

Эксперимент использует систему измерения абсолютной и относительной траектории Space Rendezvous Lab, которая интегрирует три новых алгоритма космической робототехники. Алгоритм обработки изображений обнаруживает и отслеживает несколько целей на изображениях и вычисляет углы направления цели — углы, под которыми объекты, включая космический мусор, движутся друг к другу или отдаляются друг от друга. Затем алгоритм определения пакетной орбиты оценивает грубую орбиту каждого спутника по этим углам. И последнее, но не менее важное: алгоритм определения последовательной орбиты уточняет траектории роя с помощью обработки новых изображений с течением времени, чтобы потенциально снабжать ими автономные алгоритмы наведения, управления и предотвращения столкновений на борту.

Данные передаются по межспутниковой линии связи (или беспроводной сети). Всё это используется для расчёта надёжного абсолютного и относительного положения и скорости с замечательной степенью точности без ГНСС. В самых сложных условиях, используя всего один спутник-наблюдатель, система смогла рассчитать относительное положение — положение отдельных спутников друг относительно друга — с точностью до 0,5% от их расстояния. Когда было добавлено несколько наблюдателей, эти показатели ошибок снизились до всего лишь 0,1%.

Испытание было признано достаточно многообещающим, поэтому NASA продлило проект, теперь известный как StarFOX+, на 2025 год для дальнейшего изучения этих улучшенных возможностей и прокладывания пути для будущих технологий космической ситуационной осведомлённости и позиционирования.

Подписывайтесь на журнал «Вестник ГЛОНАСС» и навигационный Telegram-канал

По материалам открытых источников