Визуальная навигационная система обеспечивает точность и автономность космических миссий
Команда исследователей из Лаборатории космических сближений Стэнфордского университета совершила прорыв в области распределённой автономности в космосе, успешно проведя первое испытание на орбите прототипа системы, способной управлять роем спутников, используя только визуальную информацию, передаваемую по беспроводной сети.
Тест Starling Formation-Flying Optical Experiment (StarFOX) представляет собой значительный шаг вперёд в развитии технологии роя спутников, которая может обеспечить большую точность, манёвренность и автономность по сравнению с традиционными крупными и дорогостоящими отдельными космическими спутниками.
«Это знаменательная работа и кульминация 11 лет усилий моей лаборатории, которая была основана с целью превзойти современное состояние дел и практику в области распределённой автономности в космосе. Starling — это первая в истории демонстрация автономного роя спутников», — сказала Симона Д’Амико, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики и старший автор исследования, опубликованного на сервере препринтов arXiv.
В тесте StarFOX команда успешно управляла четырьмя малыми спутниками, работающими в тандеме, используя только визуальную информацию, собранную с бортовых камер, для расчёта их траекторий. Исследователи представили свои выводы из первоначального теста StarFOX на собрании экспертов по роевым спутникам на конференции Minute Satellite Convention в Логане (штат Юта).
Д’Амико описала эту задачу как то, что двигала её команду более десятилетия. «Наша команда выступала за распредёленные космические системы с момента основания лаборатории. Теперь это стало мейнстримом. NASA, 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 аппарата. Преимущества включают в себя улучшенную точность, покрытие, гибкость, надёжность и потенциально новые цели, которые ещё не придуманы», — сказала она.
Надёжная навигация роя представляет собой большую сложность, поскольку текущие системы полагаются на Глобальную навигационную спутниковую систему (GNSS), требующую частого контакта с наземными системами. За пределами орбиты Земли есть Deep House Community, 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 надёжности, сказала Д’Амико. Такие системы также становятся более привлекательными благодаря минимальным техническим требованиям и финансовым затратам, современным миниатюрным камерам и другого оборудования. Камеры, используемые в тесте StarFOX, являются проверенными, относительно недорогими звёздными трекерами, которые сегодня размещены практически на любом спутнике.
«По своей сути, навигация 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», — сказала Д’Амико.
StarFOX объединяет визуальные измерения с отдельных камер, установленных на каждом спутнике в рое. Известные звёзды используются в качестве ориентира для пеленгации спутников. Затем эти данные обрабатываются на борту с помощью физических моделей для оценки положения и скорости спутников относительно вращающейся планеты, — в данном случае Земли, — но Луна, Марс или другие планетарные объекты также могут быть загружены в логику навигации.
StarFOX использует систему измерения абсолютной и относительной траектории House Rendezvous Lab (ARTMS), 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 орбиты оценивает орбиту каждого спутника по этим углам. И последнее: алгоритм определения последовательной орбиты уточняет траектории роя с помощью обработки новых изображений с течением времени, чтобы снабжать ими автономные алгоритмы наведения, управления и предотвращения столкновений.
Эта технология автоматической навигации роя спутников может открыть новые возможности для будущих космических миссий, обеспечивая более эффективные, надёжные и экономичные решения для исследования космоса и наблюдения за Землёй.
