Lądowanie statku kosmicznego na Księżycu z wyjątkową precyzją, opierając się wyłącznie na naziemnych systemach śledzenia, jest złożonym, kosztownym i wymagającym logistycznie procesem. Współczesne misje kosmiczne w dużej mierze zależą od telemetrii z Ziemi, która dostarcza kluczowych wstępnych oszacowań pozycji, co znacznie ogranicza możliwości przyszłych misji i zwiększa koszty operacyjne. Niedawny projekt doktorski, współfinansowany przez program ESA Discovery, Niemieckie Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR) oraz firmę OHB, opracował innowacyjne rozwiązanie, które mogłoby umożliwić statkom kosmicznym całkowicie samodzielne odnajdywanie drogi w głębokim kosmosie.

Badania Willema Oliveiry zatytułowane "Globalny autonomiczny system nawigacji do podejścia i lądowania planetarnego" stawiają czoła fundamentalnemu wyzwaniu podróży kosmicznych: jak osiągnąć precyzyjną nawigację bez stałego wsparcia z planety macierzystej. Motywacja do takiego przełomu wykracza poza zwykłe oszczędności; nawigacja autonomiczna otwiera drzwi do zupełnie nowych typów misji, takich jak eksploracja ciał niebieskich przy użyciu rojów małych, skoordynowanych statków kosmicznych działających jako jeden organizm.

Zależność od Ziemi: Obecna pięta achillesowa misji kosmicznych

Obecna generacja statków kosmicznych do precyzyjnego lądowania opiera się na zaawansowanych systemach znanych jako Absolutna nawigacja względem terenu (Terrain-relative Absolute Navigation - TAN). Te optyczne systemy nawigacyjne działają poprzez porównywanie obrazów wykonanych przez kamery na statku kosmicznym z istniejącymi, szczegółowymi mapami powierzchni przechowywanymi w jego komputerze. W ten sposób mogą określić swoją lokalizację z niezwykłą dokładnością, co jest warunkiem wstępnym do lądowania w z góry określonym punkcie z minimalnym odchyleniem. Jednak cały ten zaawansowany system ma jedną kluczową słabość: jest zależny od danych początkowych wysyłanych z Ziemi.

Willem Oliveira, autor badań, wyjaśnia sedno problemu: "Systemy TAN wymagają wstępnego oszacowania stanu, czyli przybliżonej informacji o tym, gdzie znajduje się statek kosmiczny, a te dane można obecnie uzyskać wyłącznie za pośrednictwem telemetrii z Ziemi. To właśnie to połączenie chcemy wyeliminować."

Istniejący proces działa jako zamknięta pętla, która rozpoczyna się na Ziemi. Kontrolerzy misji wysyłają statkowi kosmicznemu wstępne oszacowania pozycji, co pozwala mu wybrać odpowiednie lokalne mapy terenu z jego ogromnej bazy danych. Dopiero wtedy system TAN może rozpocząć działanie, wykorzystując te mapy i obrazy z wbudowanych kamer, aby uzyskać znacznie dokładniejsze oszacowania swojej pozycji i prędkości. Chociaż ta pętla oczyszczania danych działa autonomicznie, nie może nawet się rozpocząć bez inicjalizacji z Ziemi, co tworzy wąskie gardło w operacjach.

Innowacyjne rozwiązanie, które patrzy na powierzchnię i gwiazdy

Podejście opracowane w ramach tego projektu wykorzystuje wyłącznie metody nawigacji optycznej, które wymagają jedynie stosunkowo niedrogich kamer wizualnych do pomiarów w odniesieniu do powierzchni ciała niebieskiego. System genialnie łączy analizę tak zwanego przepływu optycznego z pomiarami uzyskanymi z szukacza gwiazd (star tracker - STR) podczas dwóch pełnych orbit wokół planety lub księżyca.

Przepływ optyczny to termin opisujący śledzenie, jak wzory jasności, czyli rozpoznawalne cechy na powierzchni, takie jak kratery lub skały, pozornie przesuwają się między kolejnymi obrazami wykonanymi podczas ruchu statku kosmicznego. Z tych wzorców przesunięcia system może wydedukować kluczowe informacje o kierunku własnego ruchu. Dane te są następnie łączone z precyzyjnymi pomiarami orientacji statku kosmicznego w przestrzeni, uzyskanymi z szukacza gwiazd, w celu oszacowania fundamentalnych parametrów orbitalnych. Szukacze gwiazd są w istocie małymi kamerami, które fotografują gwiaździste niebo i porównują je z mapą gwiazd, aby określić orientację statku kosmicznego z niewiarygodną precyzją.

"Używamy obrazów, które robimy z powierzchni, aby określić ogólny kształt orbity" - wyjaśnia Oliveira. "Daje nam to wystarczająco precyzyjne informacje początkowe do inicjalizacji znacznie bardziej złożonego i precyzyjnego systemu TAN, bez potrzeby jakiegokolwiek sygnału z Ziemi."

Testowanie i obiecujące wyniki

Nowe podejście zostało przetestowane przy użyciu CNav, systemu nawigacyjnego opartego na rozpoznawaniu kraterów, który może działać w różnych trybach, w zależności od dokładności wstępnego oszacowania stanu. Wyniki pokazały, że elewacja kamery, czyli kąt, pod jakim kamera patrzy na powierzchnię, znacząco wpływa na wskaźnik sukcesu. Dla elewacji między 0 a 30 stopni, udana inicjalizacja systemu CNav została osiągnięta w około 90% symulowanych przypadków. Jednak przy elewacji 60 stopni, wskaźnik sukcesu spadł do około 60%. Decydującym czynnikiem, jak się okazało, jest średnia powierzchnia terenu widoczna na obrazach używanych do analizy przepływu optycznego. Im większa widoczna powierzchnia, tym bardziej niezawodny jest system.

Chociaż ten projekt jest już formalnie zakończony, badania są kontynuowane w celu stworzenia działającego systemu, który w przyszłości mógłby zostać przetestowany na prawdziwym statku kosmicznym. Przejście od symulacji komputerowych do sprzętu gotowego do warunków kosmicznych jest kolejnym wielkim krokiem.

Spojrzenie w przyszłość autonomicznej eksploracji kosmosu

"Motywacją tej pracy jest obecna potrzeba inicjalizacji algorytmów nawigacji absolutnej za pomocą oszacowania stanu uzyskanego z Ziemi" - mówi Massimo Casasco, kierownik Działu Naprowadzania, Nawigacji i Kontroli (GNC) w ESA. "To, co mamy nadzieję osiągnąć, to zasadniczo większa autonomia na samym statku kosmicznym, co przynosi podwójną korzyść - nie tylko oszczędność kosztów operacyjnych, ale także uczynienie tych operacji bardziej solidnymi i odporymi na błędy."

Pełna autonomia oznacza, że misje mogą szybciej reagować na nieprzewidziane okoliczności, bez konieczności czekania na instrukcje z Ziemi, które mogą podróżować minutami, a nawet godzinami. Jest to kluczowe dla bezpieczeństwa i sukcesu przyszłych, bardziej złożonych misji.

"Postrzegamy ten wynik jako ważny element budulcowy do dalszego zwiększania autonomii statków kosmicznych - zwłaszcza dla małych platform, takich jak CubeSaty, które pewnego dnia mogłyby samodzielnie nawigować wokół Księżyca" - powiedział dr Stephan Theil, promotor Oliveiry w Instytucie Systemów Kosmicznych DLR. "Mam szczerą nadzieję, że będziemy w stanie wdrożyć tę technologię w prawdziwych misjach w najbliższej przyszłości, być może nawet bardzo szybko."

Projekt powstał za pośrednictwem platformy ESA Open Space Innovation Platform i został sfinansowany w ramach elementu Discovery Podstawowej Działalności ESA. Stanowi on kluczowy krok w kierunku zdolności do autonomicznych operacji, które będą niezbędne do przyszłej eksploracji Księżyca i innych planet, torując drogę misjom, które dziś znajdują się jedynie w sferze science fiction.