Slijetanje svemirske letjelice na Mjesec s iznimnom preciznošću, oslanjajući se pritom isključivo na zemaljske sustave za praćenje, predstavlja složen, skup i logistički zahtjevan proces. Suvremene svemirske misije uvelike ovise o telemetriji sa Zemlje koja osigurava ključne početne procjene položaja, čime se značajno ograničavaju mogućnosti budućih misija i povećavaju operativni troškovi. Nedavni doktorski projekt, sufinanciran od strane programa ESA Discovery, Njemačkog zrakoplovnog centra (DLR) i tvrtke OHB, razvio je inovativno rješenje koje bi moglo omogućiti letjelicama da potpuno samostalno pronađu svoj put u dubokom svemiru.

Istraživanje Willema Oliveire pod nazivom "Globalni autonomni navigacijski sustav za planetarni prilazak i slijetanje" suočava se s temeljnim izazovom svemirskih putovanja: kako postići preciznu navigaciju bez stalne podrške s matičnog planeta. Motivacija za ovakav iskorak nadilazi puku uštedu troškova; autonomna navigacija otvara vrata potpuno novim tipovima misija, poput istraživanja nebeskih tijela korištenjem rojeva malenih, koordiniranih letjelica koje djeluju kao jedinstveni organizam.

Ovisnost o Zemlji: Trenutna Ahilova peta svemirskih misija

Trenutačna generacija svemirskih letjelica za precizno slijetanje oslanja se na napredne sustave poznate kao Apsolutna navigacija s obzirom na teren (Terrain-relative Absolute Navigation - TAN). Ovi optički navigacijski sustavi funkcioniraju tako što uspoređuju slike snimljene kamerama na letjelici s postojećim, detaljnim mapama površine pohranjenim u svom računalu. Na taj način mogu odrediti svoju lokaciju s izvanrednom točnošću, što je preduvjet za slijetanje na unaprijed određenu točku s minimalnim odstupanjem. Međutim, cijeli taj sofisticirani sustav ima jednu ključnu slabost: ovisan je o početnim podacima poslanim sa Zemlje.

Willem Oliveira, autor istraživanja, pojašnjava srž problema: "TAN sustavi zahtijevaju početnu procjenu stanja, odnosno grubu informaciju o tome gdje se letjelica nalazi, a taj se podatak trenutačno može dobiti isključivo putem telemetrije sa Zemlje. Upravo tu sponu želimo eliminirati."

Postojeći proces funkcionira kao zatvorena petlja koja započinje na Zemlji. Kontrolori misije šalju letjelici početne procjene položaja, što joj omogućuje da iz svoje goleme baze podataka odabere odgovarajuće lokalne mape terena. Tek tada TAN sustav može započeti s radom, koristeći te mape i slike s ugrađenih kamera kako bi dobio znatno preciznije procjene svog položaja i brzine. Iako ova petlja pročišćavanja podataka funkcionira autonomno, ona ne može ni započeti bez inicijalizacije sa Zemlje, što stvara usko grlo u operacijama.

Inovativno rješenje koje gleda u površinu i zvijezde

Pristup razvijen u sklopu ovog projekta koristi se isključivo metodama optičke navigacije, za koje su potrebne samo relativno jeftine vizualne kamere za mjerenja u odnosu na površinu nebeskog tijela. Sustav genijalno kombinira analizu takozvanog optičkog toka s mjerenjima dobivenim od pratioca zvijezda (star tracker - STR) tijekom dvije potpune orbite oko planeta ili mjeseca.

Optički tok je pojam koji opisuje praćenje kako se obrasci svjetline, odnosno prepoznatljive značajke na površini poput kratera ili stijena, prividno pomiču između uzastopnih slika snimljenih dok se letjelica kreće. Iz tih obrazaca pomaka, sustav može izvesti ključne informacije o smjeru vlastitog kretanja. Ti se podaci zatim spajaju s preciznim mjerenjima orijentacije letjelice u prostoru, dobivenim od pratioca zvijezda, kako bi se procijenili fundamentalni orbitalni parametri. Pratioci zvijezda su, u suštini, male kamere koje snimaju zvjezdano nebo i uspoređuju ga s mapom zvijezda kako bi odredile orijentaciju letjelice s nevjerojatnom preciznošću.

"Koristimo slike koje snimamo s površine kako bismo odredili opći oblik orbite," objašnjava Oliveira. "To nam daje dovoljno precizne početne informacije za inicijalizaciju puno složenijeg i preciznijeg TAN sustava, bez potrebe za bilo kakvim signalom sa Zemlje."

Testiranje i rezultati koji obećavaju

Novi pristup testiran je korištenjem CNav-a, navigacijskog sustava temeljenog na prepoznavanju kratera koji može raditi u različitim načinima rada, ovisno o točnosti početne procjene stanja. Rezultati su pokazali da elevacija kamere, odnosno kut pod kojim kamera gleda na površinu, značajno utječe na stopu uspjeha. Za elevacije između 0 i 30 stupnjeva, uspješna inicijalizacija CNav sustava postignuta je u otprilike 90% simuliranih slučajeva. Međutim, pri elevaciji od 60 stupnjeva, stopa uspjeha pala je na oko 60%. Odlučujući faktor, kako se ispostavilo, jest prosječna površina terena vidljiva na slikama koje se koriste za analizu optičkog toka. Što je veća vidljiva površina, to je sustav pouzdaniji.

Iako je ovaj projekt sada formalno završen, istraživanja se nastavljaju s ciljem stvaranja operativnog sustava koji bi se u budućnosti mogao testirati na stvarnoj svemirskoj letjelici. Prelazak s računalnih simulacija na hardver spreman za svemirske uvjete sljedeći je veliki korak.

Pogled u budućnost autonomnog istraživanja svemira

"Motivacija ovog rada leži u trenutačnoj potrebi da se algoritmi za apsolutnu navigaciju inicijaliziraju procjenom stanja dobivenom sa Zemlje", kaže Massimo Casasco, voditelj Odjela za navođenje, navigaciju i kontrolu (GNC) u ESA-i. "Ono što se nadamo postići jest suštinski veća autonomija na samoj letjelici, što donosi dvostruku prednost – ne samo uštedu operativnih troškova, već i činjenje ovih operacija robusnijima i otpornijima na pogreške."

Potpuna autonomija znači da misije mogu brže reagirati na nepredviđene okolnosti, bez potrebe da čekaju instrukcije sa Zemlje koje mogu putovati minutama, pa čak i satima. To je ključno za sigurnost i uspjeh budućih, složenijih misija.

"Ovaj rezultat vidimo kao važan gradivni element za daljnje povećanje autonomije svemirskih letjelica – posebno za male platforme poput CubeSatova, koji bi jednog dana mogli samostalno navigirati oko Mjeseca", izjavio je dr. Stephan Theil, Oliveirin mentor na DLR-ovom Institutu za svemirske sustave. "Iskreno se nadam da ćemo ovu tehnologiju moći implementirati u stvarne misije u bliskoj budućnosti, možda čak i vrlo skoro."

Projekt je nastao putem ESA-ine platforme za otvorene svemirske inovacije (Open Space Innovation Platform) i financiran je kroz Discovery element ESA-inih osnovnih aktivnosti. On predstavlja ključan korak prema sposobnosti autonomnih operacija koje će biti neophodne za buduća istraživanja Mjeseca i drugih planeta, otvarajući put misijama koje su danas tek u domeni znanstvene fantastike.