Aterrizar una nave espacial en la Luna con una precisión excepcional, dependiendo exclusivamente de sistemas de seguimiento terrestres, es un proceso complejo, costoso y logísticamente exigente. Las misiones espaciales modernas dependen en gran medida de la telemetría desde la Tierra para proporcionar estimaciones iniciales de posición cruciales, lo que limita significativamente las capacidades de futuras misiones y aumenta los costos operativos. Un reciente proyecto de doctorado, cofinanciado por el programa ESA Discovery, el Centro Aeroespacial Alemán (DLR) y la empresa OHB, ha desarrollado una solución innovadora que podría permitir a las naves espaciales encontrar su camino en el espacio profundo de forma completamente autónoma.

La investigación de Willem Oliveira, titulada "Sistema de Navegación Autónomo Global para la Aproximación y Aterrizaje Planetario", aborda un desafío fundamental de los viajes espaciales: cómo lograr una navegación precisa sin el apoyo constante del planeta de origen. La motivación para tal avance va más allá del mero ahorro de costos; la navegación autónoma abre la puerta a tipos de misiones completamente nuevos, como la exploración de cuerpos celestes utilizando enjambres de pequeñas naves espaciales coordinadas que operan como un solo organismo.

Dependencia de la Tierra: El actual talón de Aquiles de las misiones espaciales

La generación actual de naves espaciales para el aterrizaje de precisión se basa en sistemas avanzados conocidos como Navegación Absoluta Relativa al Terreno (Terrain-relative Absolute Navigation - TAN). Estos sistemas de navegación óptica funcionan comparando imágenes tomadas por las cámaras de la nave espacial con mapas detallados de la superficie existentes y almacenados en su ordenador. De esta manera, pueden determinar su ubicación con una precisión extraordinaria, lo que es un requisito previo para aterrizar en un punto predeterminado con una desviación mínima. Sin embargo, todo este sofisticado sistema tiene una debilidad clave: depende de los datos iniciales enviados desde la Tierra.

Willem Oliveira, el autor de la investigación, aclara el núcleo del problema: "Los sistemas TAN requieren una estimación inicial del estado, es decir, información aproximada sobre dónde se encuentra la nave espacial, y estos datos actualmente solo se pueden obtener a través de la telemetría desde la Tierra. Es precisamente este vínculo el que queremos eliminar".

El proceso existente funciona como un bucle cerrado que comienza en la Tierra. Los controladores de la misión envían a la nave espacial estimaciones de posición iniciales, lo que le permite seleccionar los mapas de terreno locales apropiados de su vasta base de datos. Solo entonces el sistema TAN puede comenzar a operar, utilizando estos mapas e imágenes de las cámaras a bordo para obtener estimaciones mucho más precisas de su posición y velocidad. Aunque este bucle de refinamiento de datos funciona de forma autónoma, ni siquiera puede comenzar sin la inicialización desde la Tierra, lo que crea un cuello de botella en las operaciones.

Una solución innovadora que mira a la superficie y a las estrellas

El enfoque desarrollado en este proyecto utiliza exclusivamente métodos de navegación óptica, que solo requieren cámaras visuales relativamente baratas para las mediciones en relación con la superficie de un cuerpo celeste. El sistema combina ingeniosamente el análisis de lo que se conoce como flujo óptico con las mediciones obtenidas de un seguidor de estrellas (star tracker - STR) durante dos órbitas completas alrededor de un planeta o luna.

El flujo óptico es un término que describe el seguimiento de cómo los patrones de brillo, es decir, las características reconocibles en la superficie como cráteres o rocas, parecen moverse entre imágenes sucesivas tomadas mientras la nave espacial se mueve. A partir de estos patrones de movimiento, el sistema puede derivar información clave sobre su propia dirección de movimiento. Estos datos luego se fusionan con mediciones precisas de la orientación de la nave espacial en el espacio, obtenidas del seguidor de estrellas, para estimar los parámetros orbitales fundamentales. Los seguidores de estrellas son, en esencia, pequeñas cámaras que fotografían el cielo estrellado y lo comparan con un mapa estelar para determinar la orientación de la nave espacial con una precisión increíble.

"Utilizamos las imágenes que tomamos de la superficie para determinar la forma general de la órbita", explica Oliveira. "Esto nos da información inicial suficientemente precisa para inicializar un sistema TAN mucho más complejo y preciso, sin necesidad de ninguna señal de la Tierra".

Pruebas y resultados prometedores

El nuevo enfoque se probó utilizando CNav, un sistema de navegación basado en el reconocimiento de cráteres que puede operar en diferentes modos, dependiendo de la precisión de la estimación inicial del estado. Los resultados mostraron que la elevación de la cámara, es decir, el ángulo con el que la cámara mira a la superficie, afecta significativamente la tasa de éxito. Para elevaciones entre 0 y 30 grados, se logró una inicialización exitosa del sistema CNav en aproximadamente el 90% de los casos simulados. Sin embargo, a una elevación de 60 grados, la tasa de éxito se redujo a alrededor del 60%. El factor decisivo, según se descubrió, es el área de superficie promedio del terreno visible en las imágenes utilizadas para el análisis del flujo óptico. Cuanto mayor sea el área visible, más fiable será el sistema.

Aunque este proyecto ya está formalmente concluido, la investigación continúa con el objetivo de crear un sistema operativo que pueda probarse en una nave espacial real en el futuro. Pasar de las simulaciones por ordenador a un hardware listo para el espacio es el siguiente gran paso.

Una mirada al futuro de la exploración espacial autónoma

"La motivación de este trabajo radica en la necesidad actual de inicializar los algoritmos de navegación absoluta con una estimación del estado obtenida desde la Tierra", dice Massimo Casasco, Jefe de la Sección de Guiado, Navegación y Control (GNC) de la ESA. "Lo que esperamos lograr es una autonomía fundamentalmente mayor en la propia nave espacial, lo que trae una doble ventaja: no solo ahorrar costos operativos, sino también hacer que estas operaciones sean más robustas y resistentes a los errores".

La autonomía total significa que las misiones pueden reaccionar más rápidamente a circunstancias imprevistas, sin tener que esperar instrucciones de la Tierra que pueden tardar minutos, o incluso horas, en viajar. Esto es crucial para la seguridad y el éxito de futuras misiones más complejas.

"Vemos este resultado como un importante bloque de construcción para aumentar aún más la autonomía de las naves espaciales, especialmente para plataformas pequeñas como los CubeSats, que algún día podrían navegar alrededor de la Luna por su cuenta", dijo el Dr. Stephan Theil, supervisor de Oliveira en el Instituto de Sistemas Espaciales del DLR. "Espero sinceramente que podamos implementar esta tecnología en misiones reales en un futuro próximo, quizás incluso muy pronto".

El proyecto surgió a través de la Plataforma de Innovación Espacial Abierta (Open Space Innovation Platform) de la ESA y fue financiado a través del elemento Discovery de las Actividades Básicas de la ESA. Representa un paso clave hacia las capacidades de operación autónoma que serán esenciales para la futura exploración de la Luna y otros planetas, allanando el camino para misiones que hoy solo están en el ámbito de la ciencia ficción.