מתקדם בניווט לוויין אוטונומי באמצעות סטלר וחיישנים לשמש

ניווט לווייני אוטונומי הגיע לנקודת השתקפות מרכזית, המונעת על ידי התקדמות מהירה בחיישנים נחישות גישה.בין הכלים הקריטיים ביותר המאפשרים טרנספורמציה זו הם חיישנים סטרלנר (מעקבי כוכבים) וחיישנים השמש.המכשירים האלה מספקים את נתוני אוריינטציה המדויקים הדרושים ללוויינים כדי לשמור על שליטה ולבצע תרגילים מורכבים ללא התערבות רציפה של הקרקע, פריצות דרך מתקדמות שיפרו את הדיוק שלהם, המיניאונדיזציה, ועל אינטליגנציה, ומאפשרות חלליות ממהירות נמוכה יותר מטווח הבקרה, כדי לנווט את פני כדור הארץ, ולהפחית את משימות אבטחה נמוך יותר, ומהירות אבטחה נמוכה יותר, ומהירות נמוכה יותר, ומהירות אבטחה, ומהירות נמוכה יותר, תוך כדי התבוננות מהירה יותר, כדי התבוננות מהירה יותר, ומהירות אבטחה מהירה יותר, ומהירות נמוכה יותר, ומהירות גבוהה יותר, ומהירות אבטחה מהירה יותר, ומהירות אבטחה מהירה יותר, ומהירות אבטחה מרחוק, באמצעות משימות אבטחה מהירה יותר, באמצעות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, באמצעות משימות אבטחה מהירה יותר, ומהירות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, כדי לנווט במהירות גבוהה יותר, באמצעות משימות אבטחה מרחוק, באמצעות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, ומהירות אבטחה מרחוק, על פני השטח, ומהירות אבטחה מרחוק, ו

יסודות של סטלר ומין השמש

חיישני סטלה, המכונה בדרך כלל כטרכי כוכבים, פועלים על ידי לכידת תמונות של שדה הכוכבים והתאמה לדפוסי כוכבים נצפות נגד קטלוג פנימי.תהליך זה מניב ידע מדויק מאוד של גישה תלת-אקסי, בדרך כלל עם אגורות יותר מאשר 1 arcII עבור יחידות מודרניות. חיישנים השמש, בניגוד, לזהות את הכיוון הווקטור לשמש באמצעות מערך תמונה או גלאי דיגיטלי.

יחד, חיישנים אלה יוצרים את עמוד השדרה של מערכת נחישות הגישה של לווין.אדריכלות חלל טיפוסית ממזגת נתונים של מעקב כוכבים עבור הצבעה בסדר עם מדידות חיישן השמש עבור מצבי אחזקה בטוחה ורצף רכישת השמש.סינרגיה זו מאפשרת ללוויינים לחזור באופן אוטונומי, להימנע מנזק תרמי, ולשמור על יחסי תקשורת אפילו במהלך תרחישים אממטיים.

השוואות יעילות וביצועים

עוקבים כוכבים התפתחו ממכשירים אנלוגיים המופקדים (CCD) עיצובים למערך CMOS רגישות גבוהה, שיפור זיהוי כוכבים בתאורה דימה וצמצום צריכת החשמל. עוקבים כוכבים מסחריים מודרניים להשיג 0.002 (7.2 arcII) דיוק עם שיעורי עדכון מעל 10 הרץ. חיישנים לשמש, בהתאם לסוג שלהם (log vs.דיגיטלי; די טוב cosear), יכול להשיג מעקב בלעדי על ידי לוח זמנים נמוך על ידי חיישן כדור הארץ, כמעט 0.

(ב) [15] , [17] , עיין ב[[1924]] ו[[1924]]]] ו[[1924]]]]

פריצות טכנולוגיות אחרונות

העשור האחרון היה עדים להתפתחויות טרנספורמטיביות שיש להן יכולות גבוהות של חיישן השמש מעבר לגבולות המסורתיים.ניתן לסווג פריצות דרך אלה לארבעה תחומים עיקריים: miniaturization, אלגוריתמים, שיפורים בעיבודים על גבי לוח, ונוקשות סביבתית.

מינימום של חיישן Components

מערכות מיקרואלקטרוניקה (MEMS) וחיישנים מתקדמים של תמונות CMOS אפשרו את הצטמצמות של עוקב כוכבים ו sun חיישן חיישן לשלם עומסים ללא הקרבה ביצועים. לדוגמה, עוקבים כוכבים שפעם דרש רגל מעוקבת של נפח עכשיו לכבוש פחות מ -100 ס"מ3 ומשקלו תחת 100 גרם בעבר, חברות כמו Blue Canyon Technologies לייצר חיישנים קטנים מספיק עבור CubeSats, אך מסוגלות של דיוק מזווית של הרגעה זה, מאפשר ללוויינים קטנים, 000 לוויינים.

שיפור Algorithms for Star Identification

אלגוריתמים מסורתיים לזיהוי כוכבים - כגון משולש התאמה והתאמה לרשת - כבר מתווספים על ידי שיטות מהירות חזקות, המבוססות על אלגוריתמים אבודים בחלל (LIS) עבודה חדשה הציגה תוכניות הצבעה גיאומטריות וקונצנזוס אקראי מדגם אקראי (RANSAC) כדי להתמודד עם כוכבים כוזבים, רעש, ומטושטש תנועה. אלגוריתמים אלה להפחית את שיעור הזיהוי של תנאים מאתגרים, כגון ליד כדור הארץ או גפיים גבוה במהלך מדדי החלל המודרני.

בדומה לכך, אלגוריתמי חיישן השמש התפתחו מיחסי אותות פוטו-תאים פשוטים לעיבוד דיגיטלי ברזולוציה גבוהה באמצעות איסוף תמונות השמש שנשבו על ידי מערךים קטנים.זה מניב פתרון זוויתי דק יותר ויכול לפצות על השפעות אור סמוכות.

אפשרויות לרכיב Onboard Processing Capabilities

היכולת להפעיל אלגוריתמים מורכבים בזמן אמת על מעבדי לוויין גדלה באופן אקספוננציאלי. קרינת-שדה-התכנת שדות (FPGAs) ומעבדי ARM של כיתה חלל מאפשרים כעת מעקבי כוכבים לבצע זיהוי מלא של השמיים במילימטרים, המאפשר מעקב מתמשך אפילו במהלך סיבובים מהירים.

מודלים של למידת מכונות, במיוחד רשתות עצביות אבולוציה קלות משקל (CNN), כבר הוצבו על מאיצים FPGA עבור זיהוי דפוס כוכבים.מודלים אלה להשיג עמידות גבוהה יותר נגד כוכבים מזויפים (למשל, מאפקטים מיקרומטראואידים או קרני קוסמיות) מאשר שיטות קלאסיות, ויכולים לרוץ בתוך תקציב הכוח של החיישן.

התנגדות מוגברת לגורמי הסביבה בחלל

קרינה חלל, רכיבה תרמית קיצונית, וזיהום מציב אתגרים משמעותיים לחיישנים לטווח ארוך. שיפורים עיצוביים אחרונים כוללים מינון כולל של ionizing הכולל (TID) קשיחות של CMOS תמונות, אלקטרוניקה מוגן, ואדריכלות פוטודיודה עצמית עצמית. לדוגמה, פרויקט StarNAV של נאס"א פיתחה חיישן מתפתל דמוי מין, אשר לנווט באמצעות מדידות בין כוכבים, לבין אפקטים כימיים רבים, כולל מקיפים של חיישנים חד-מדומים, כולל לוגיים, כולל לוגיים, אשר יכולים כעת, כולל קרינת קרינה דיגיטלית, כולל ויזואלית, כולל ויזואלית, כולל סנסציונית, כולל לוגיקה קשה.

קישור חיצוני:0 (FLT:0) נייר על מסלול כוכבים רווי קרינה: 1

השפעה על ניווט אוטונומי

השילוב של חיישני סטרלייר והשמש מתקדמים שינה באופן יסודי את האופן שבו לווינים לנווט.הניווט האוטונומי כבר לא אומר רק שמירה על הגישה; הוא מאפשר נחישות מסלול, הימנעות מהתנגשות ואפילו התכנסות אוטונומית ועגינה.

פתרונות Deep-Space

עבור משימות מעבר למסלול הגיאוגרפי, שבו אותות GPS דוהמים, עוקבי כוכבים מספקים את האמצעים העיקריים של גישה מוחלטת ולעתים קרובות לתרום לקביעת מסלול בשילוב עם חיישנים אופקיים או מדידות חיישן השמש של נאס"א עמוק Space Optical Communications (DSOC) הניסוי, לדוגמה, משתמש מסלול כוכבים דק כדי להצביע על לייזר בדיוק במקלטים מבוססי כדור הארץ, השגת ציוני נתונים של גודל גבוה יותר מאשר חיישנים שלב ESA עבור חיישנים סטאוקומה אוטונומית על ידי ⁇ .

כדור הארץ וקונסטלציה

ב- LEO, קבוצות כמו Starlink ו- Planet של SpaceX משתמשים בחיישנים שמש ועוקבים כוכבים עבור הצבעה זריזה, המאפשר רכישת תמונה מהירה ו- beam Hiing.היכולת לזייף באופן אוטונומי בין מטרות ללא פיקוד קרקעי מפחיתה את העלות לדימוי ומגדילה את שערי ההחזרה. עבור לווייני הרדאר סינתטיים (SAR) גישה מדויקת היא חיונית להיגויוט ולעקוב אחר איכות;

דרישות צבאיות ואסטרטגיות

משימות חלל אבטחה לאומיות דורשות עמידות נגד ג'ינג ונפיחות של מערכות ניווט GPS. סטלהר-אינטליות מציעים השלמה או אלטרנטיבה שלא ניתן להכחיש.לוויינים צבאיים מודרניים משלבים היתוך רב-רגיש שמשקלות מדידות עוקבות כוכבים בכבדות במהלך תרחישים של GPS-ied. חיישנים השמש גם לספק גישה נמוכה, כל הזמן זמין שניתן להשתמש בהפניה בטוחה להחלמה אם חיישנים אחרים נכשלים.

שילוב עם מערכות ניווט אחרות

אין חיישן יחיד מושלם.כדי להשיג ניווט אוטונומי חזק, מעצבי לווין ממזגים נתונים מחיישנים סטרלייר ושמש עם מכשירים אחרים באמצעות מסננים קלמן או גרמים גורמים.

מערכות ניווט היברידיות

שילוב של עוקבים כוכבים עם מערכת מיקרואלקטרוניקה (MEMS) יחידות מדידה לא רצויות (IMUs) מניב מערכת היברידית חזקה.העוקב הכוכב מתקן עבור gyroscope סחף במשך תקופות ארוכות, בעוד IMU מספק הערכות גישה גבוהה פסוטות מספיק במהלך תמרונים מהירים או כאשר המסלול הכוכב הוא מעורפל (למשל, על ידי כדור הארץ במהלך הצל במהלך ליקוי חמה ו- ix די טוב יותר מאשר גמישות קצב ראייה כחול).

GPS / GNSS אינטגרציה

ב- LEO, ניווט מבוסס GPS מספק דיוק מיקום ברמה גבוהה סנטימטר אבל תלוי קישורי תקשורת חלל.שלב GPS עם עדכוני מעקב כוכבים מאפשר ללוויינים לשמור על ידע מסלול מדויק עבור תמרונים של תחנת אוטונומית, מניעת התנגשות.המקבל GPS הטבות מאנטנה מעוקבת כוכבים, אשר משפרת את רכישת האות.

Machine Learning and AI in Star Pattern Recognition

למידת מכונה הפכה לכוח משבש בטכנולוגיה של מעקב כוכבים. אלגוריתמים מסורתיים כמו משולש התאמה דורשים קטלוג נרחב והם רגישים לכוכבי שקר. גישות מודרניות להשתמש ברשתות למידה לא מבוססות וקונסטנטיות (CNN) כדי למפות ישירות כתמים תמונה כדי לגשת quaternions.

מחקר שנערך לאחרונה מאוניברסיטת מינכן הטכנית הראה עוקב כוכבים מבוסס CNN אשר משיג דיוק תת-pixel אפילו עם תנועה מטושטש עד 10 מעלות לשנייה.הרשת הוכשרה על תמונות סינתטיות שנוצרו מקטלוגי כוכבים ולאחר מכן כוונו היטב על נתונים אמיתיים על בסיס אוביט מלווין TUBiX10.מגמה נוספת היא השימוש של חיזוק כדי להתאים באופן אוטונומי את החשיפה של הזמן מבוסס על גבי כוכבי הלכת, תוך הימנעות מכוכבים בהירים.

עבור חיישני השמש, רשתות עצביות יכולות לשפר את הדיוק על ידי מודלים של אי לינאריות בתגובה החיישן, הצטברות לאור וריאציות טמפרטורה משוטטות.מודלים אלה יכולים להיות מעודכנים על לוח במהלך שלב ההשחה, מה שהופך את החיישן עצמו לקצב לאורך חייו.

קישור חיצוני:0.100 טכנולוגיה Review on AI Star Trackersal FLT 1

אתגרים ומגבלות

למרות התקדמות יוצאת דופן, כמה אתגרים נותרו. חיישנים סטלר יכול להיות עיוור על ידי אור מפוזר מהשמש, הירח, או הגוף של כדור הארץ, הדורש baffles ו-phic פערים אלגוריתמיים, חיי השמש הופכים פחות מדויקים כאשר הלוויין נמצא ליקוי או כאשר השמש נמצאת בזווית נמוכה.בנוסף, שני סוגי החיישן כפופים לרעש מקרניים קוסמיים ואבני חלל.

עלויות נשאר מחסום עבור כמה משימות: עוקבים כוכבים גבוה יכול לעלות מאות אלפי דולרים, בעוד שגם מסחרי מחוץ ל-Hlf (COTS) יחידות עשוי לעלות על 10,000 $, עם זאת, המגמה לעבר חיישנים קטנים וזולים יותר מצמצם את הפער.מגבלה נוספת היא ההסתמכות על קטלוגי כוכבים שעשויים להיות מיושנים למשימות חלל עמוקות ליד כוכבי לכת אחרים, למרות שטכניקות קטלוג של כוכבי לכת מפותחות.

יתר על כן, הממשק בין דיוק חיישן לבין יציבות תרמית לווייני יכול להפיג את הביצועים. כוכב עוקב על מבנה גמיש עשוי להציג שגיאות מצביעות עקב התרחבות תרמית.מהנדסים חייבים לעצב בזהירות את הסביבה התרמית של החיישן ואת ממשק מבני.

אפשרויות לעתיד

מסלול ההתפתחות של סטלר וסאן חיישן מצביע על אוטונומיה גדולה יותר והיכולת.כמה מגמות מתעוררות יעצבו את העשור הבא של ניווט בחלל.

מודולים זעירים עבור סווממים וקוביקטים

ככל שהמיניטוריזציה תימשך, אנו רואים עוקבים כוכבים וחיישנים שמש משולבים בחבילות חד פעמיות של שבב יחיד.תוכנית בלאק ג'ק DARPA, למשל, שואפת לפרוס אלפי לווינים קטנים ב- LEO; כל אחד ידרוש חיישנים גישה נמוכה, אמין מאוד. כוכבי גישה: כוכבי כוכב יחיד שבב המשלבים אופטיקה, גלאי, מעבד על מונוליטי מת הם מחקר על ידי קבוצות MIT ו-קלקס יכול להפחית מכשירים כאלה.

על גבי כוכבי קטלוג ולימוד עצמי

עוקבי כוכבים נוכחיים מסתמכים על קטלוג כוכבים קבוע שהועלו לפני ההשקה.מערכות אוטונומיות עתידיות יפיקו קטלוגים משלהם משדה הכוכבים הנצפים, להסתגל לתגובה הייחודית של החיישן ואפילו לדפוסי כוכבים לא מוכרים שנפגשו במהלך משימות חלליות עמוקות.אפשר להשתמש בלמידה של Reinforcement Learning כדי לייעל את אלגוריתם הזיהוי, ללמוד להתעלם ממקורות הרעש הידועים.

ספין עם חיישנים קוונטיים

טכנולוגיה קוונטית עשויה לספק גישה משלימה רגישה עם דיוק עליון.לדוגמה, גיירוסקופים מבוססי דו-מטר יכול להשיג שיעורי סחף מאות פעמים נמוך יותר מאשר mMS gyros. integrating אלה עם עוקבים כוכבים מסורתיים יכול ליצור "שנוי-מרוצה" מערכות ניווט כי הם resilient נגד ג'ינג ויכולים לפעול ללא כל אזכורים חיצוניים במשך תקופות ארוכות, בעוד שעדיין נבדקו מוקדם, ב-טיפוס ב-אפריקוויסו.

עקבו אחרי Optical Communications Star Trackers

לווייני עתיד ישלבו טלסקופי תקשורת אופטיים עם עוקבים כוכבים, תוך שימוש באותם אופטיים עבור מצביעים והנתונים דקים מטהלינק.זה מקטין מסה ומורכבות. פרויקט DISCOS של ESA הראה מושג שבו קרן לייזר התקשורת משמשת כמתערה עבור בקרת גישה, עם מסלול הכוכבים המספק רכישה ראשונית של מערכות היברידיות כאלה יאפשר קישורים עמוקים בחלל במהירויות מעבר למערכות רדיו נוכחיות.

מסקנה

ההתקדמות ב- stellar ו- Sunחיישנים מניעים שינוי פרדיגמטי בניווט לווייני לאוטונומיה מלאה.Miniaturization, שיפורים אלגוריתמיים, על כוח עיבוד לוח, ונוקשות סביבתית עשו את החיישנים האלה יותר מסוגלים מאי פעם.על ידי שילובם עם מערכות לא-סמכותיות, GPS, ואינטליגנציה מלאכותית מתפתחת, החללית יכולה כעת לקבל החלטות בזמן אמת ללא התערבות קרקעית.

קישור חיצוני:0 (עמודי ניווט אוטונומיים של נאס"א)