Когда-нибудь вместо больших и дорогих космических аппаратов группы спутников меньшего размера, известные ученым как "рой", будут работать, сотрудничая друг с  другом, обеспечивая большую точность, маневренность и автономность. Среди специалистов, работающих над тем, чтобы такие команды стали реальностью, — исследователи из Лаборатории космических рандеву (Space Rendezvous Lab) Стэнфордского университета, которые недавно завершили первое в истории орбитальное испытание подобной системы. Прототип способен обеспечивать навигацию большого числа спутников, используя только визуальную информацию, передаваемую через беспроводную сеть.

"Это знаковая научная статья и кульминация 11-летних усилий моей лаборатории, которая была основана с целью превзойти нынешний уровень техники и практики распределенной автономии в космосе, — говорит старший автор исследования Симона Д'Амико. — Starling — это первая демонстрация автономного роя спутников".

Испытательная миссия получила название Starling Formation-Flying Optical Experiment или StarFOX. В ее рамках команда успешно управляла четырьмя небольшими работающими в тандеме спутниками,, используя для расчета их траекторий (или орбит) только визуальную информацию, собранную с бортовых камер. 

Все точки зрения

"Наша команда выступает за распределенные космические системы с момента создания лаборатории. Теперь это стало мейнстримом, — говорит Д'Амико. —  НАСА, Министерство обороны, Космические силы США — все поняли ценность координации нескольких активов для достижения целей, которые в противном случае были бы невозможны или очень трудно достижимы с помощью одного космического корабля".

По словам исследователя, преимущества такого подхода включают повышенную точность, охват, гибкость, надежность и потенциально новые цели, которые еще не придуманы.

Надежная навигация роя представляет собой серьезную технологическую проблему. Современные аппараты полагаются на Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС), требующую частого контакта с наземными инструментами. За пределами орбиты Земли существует сеть дальнего космоса, но она относительно медленная и ее нелегко масштабировать для будущих проектов. Более того, ни одна из систем не может помочь спутникам избежать того, что Д'Амико называет "несотрудничающими объектами", такими как космический мусор, который может вывести аппарат из строя.

По словам исследователя, рою нужна собственная навигация, обеспечивающая высокую степень автономности и надежности. Такие системы также становятся более привлекательными благодаря минимальным техническим требованиям и финансовым затратам на современные миниатюрные камеры и другое оборудование. Так, например в тесте StarFOX использовали проверенные относительно недорогие 2D-камеры, также известные как звездные трекеры, которые сегодня можно найти на любом спутнике.

"По сути, навигация только по углам не требует дополнительного оборудования, даже если она используется на небольших и недорогих космических кораблях, — объясняет Д'Амико. — А обмен визуальной информацией между членами роя обеспечивает новые возможности распределенной оптической навигации".

Звездный атлас

StarFOX объединяет визуальные измерения с отдельных камер, установленных на каждом отдельном спутнике. Подобно морякам, которые в прошлом бороздили моря с секстантом, космические аппараты могут использовать поле известных звезд в качестве ориентира для определения углов азимута. Эти углы затем обрабатываются на борту с помощью основанных на физике точных моделей для оценки положения и скорости спутников относительно планеты, находящейся на орбите — в данном случае Земли. Впрочем, Луна, Марс или другие планетарные объекты также подойдут.

StarFOX использует систему измерения абсолютной и относительной траектории космических рандеву (сокращенно ARTMS), которая объединяет три новых алгоритма космической робототехники. Алгоритм обработки изображений обнаруживает и отслеживает несколько целей на снимках. Он же вычисляет углы, под которыми объекты, включая космический мусор, движутся навстречу или друг от друга. Затем алгоритм пакетного определения орбиты оценивает приблизительную орбиту каждого спутника по этим углам. И последнее, но не менее важное: алгоритм последовательного определения орбиты уточняет траектории роя с помощью обработки постоянно поступающих новых изображений, чтобы обеспечивать систему свежей информацией.

Полученные данные передаются по каналу межспутниковой связи. Все это используется для надежного расчета абсолютного и относительного положения и скорости с поразительной степенью точности. Что важно, при этом не используется ГНСС. В самых сложных условиях, полагаясь всего лишь один спутник-наблюдатель, StarFOX смог рассчитать относительное положение аппаратов с точностью до 0,5% от расстояния. Когда в работу включались дополнительные "наблюдатели", уровень погрешности упал до всего лишь 0,1%.