Иллюстрация роя художником. Кредит: NASA/Blue Canyon Technologies
Когда-нибудь вместо больших и дорогих отдельных космических спутников будут работать команды из более мелких спутников, известные ученым как «рой», что обеспечит большую точность, маневренность и автономность. Среди ученых, работающих над тем, чтобы сделать эти команды реальностью, есть исследователи из Лаборатории космических сближений Стэнфордского университета, которые недавно завершили первое в истории орбитальное испытание прототипа системы, способной управлять роем спутников, используя только визуальную информацию, передаваемую по беспроводной сети.
«Это знаковая статья и кульминация 11-летних усилий моей лаборатории, которая была основана с целью превзойти нынешний уровень техники и практики распределенной автономии в космосе», — сказала Симона Д'Амико, доцент кафедры аэронавтики. и космонавтике и старший автор исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv. «Старлинг — это первая в истории демонстрация автономного роя спутников».
Тест известен как Starling Formation-Flying Optical Experiment, или StarFOX. В нем команда успешно управляла четырьмя малыми спутниками, работающими в тандеме, используя только визуальную информацию, собранную с бортовых камер, для расчета их траекторий (или орбит). Исследователи представили свои выводы из первоначального теста StarFOX на собрании экспертов по роевым спутникам на конференции Small Satellite Conference в Логане, штат Юта.
Четыре космических аппарата «роя» во время интеграции и тестирования в NASA Ames. Кредит: NASA/Dominic Hart
Все углы
Д'Амико описал эту задачу как задачу, которая двигала его команду более десяти лет. «Наша команда выступала за распределенные космические системы с момента основания лаборатории. Теперь это стало мейнстримом. НАСА, Министерство обороны, Космические силы США — все поняли ценность множественных активов в координации для достижения целей, которые в противном случае было бы невозможно или очень трудно достичь с помощью одного космического корабля», — сказал он. «Преимущества включают в себя улучшенную точность, покрытие, гибкость, надежность и потенциально новые цели, которые еще не вообразились».
Надежная навигация роя представляет собой значительную технологическую проблему. Текущие системы полагаются на Глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS), требующую 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 Д'Амико называет «несотрудничающими объектами», такими как космический мусор, который может вывести спутник из строя.
Рою нужна автономная навигационная система, которая обеспечивает высокую степень автономности и надежности, сказал Д'Амико. Такие системы также становятся более привлекательными благодаря минимальным техническим требованиям и финансовым затратам на сегодняшние миниатюрные камеры и другое оборудование. Камеры, используемые в тесте StarFOX, — это проверенные, относительно недорогие 2D-камеры, называемые звездными 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», — сказал Д'Амико. «А обмен визуальной информацией между членами роя обеспечивает новую распределенную оптическую навигационную возможность».
Записано в звездах
StarFOX объединяет визуальные измерения с отдельных камер, установленных на каждом спутнике в рое. Подобно мореплавателю в древности, плавающему в открытом море с секстантом, поле известных звезд 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.
StarFOX использует систему измерения абсолютной и относительной траектории (ARTMS) Space Rendezvous Lab, которая работает только по углам и объединяет 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.
Дополнительная информация: Джастин Кругер и др., Оптический эксперимент по полету в форме скворцов: начальные операции и результаты полета, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2406.06748
Информация о журнале: arXiv Предоставлено Стэнфордским университетом
