Инновационные подходы к глубокой космической навигации с использованием звездных и радиосигналов
Глубоководная навигация является одним из самых сложных аспектов современного освоения космоса. По мере того, как космические аппараты отправляются дальше от Земли — к Марсу, поясу астероидов, внешним планетам и за его пределами — сигналы, которые несут команды и телеметрию, становятся слабее, световое время в оба конца растягивается на часы, а запас погрешности сокращается почти до нуля. Традиционное наземное отслеживание, которое опирается на большие антенны на Земле для мониторинга положения и скорости космических аппаратов, остается важным, но достигает своих пределов, когда миссии работают на краю Солнечной системы или выходят на неизведанные траектории. Для преодоления этих проблем инженеры и ученые разрабатывают инновационные подходы, которые используют естественные сигналы космоса: фиксированные положения звезд и радиоволны, которые пересекают межзвездное пространство. Эти методы обещают не только более высокую точность, но и уровень автономии, который будет иметь решающее значение для будущих межпланетных и межзвездных миссий.
Оригинальное название: Stellar Navigation: The Timeless Art of Star Sightings
Концепция навигации по звездам столь же стара, как и человеческое мореплавание, но ее применение в глубоком космосе гораздо более сложно. Отношение космического корабля - его ориентация в трех измерениях - может быть определено с замечательной точностью, наблюдая положения известных звезд относительно бортовых датчиков. Современные звездные трекеры - это компактные цифровые камеры, которые захватывают изображение звездного поля, идентифицируют рисунок звезд в поле зрения и соответствуют этому шаблону со звездным каталогом, хранящимся в памяти. Как только звезды идентифицированы, космический корабль может рассчитать свою ориентацию в течение нескольких угловых секунд, что примерно соответствует видимому размеру десятицентовика, наблюдаемого с трех километров.
Этот метод не дает космическому аппарату непосредственного положения в космосе, но он обеспечивает контекст, необходимый для других навигационных систем. Например, космический корабль, который знает свою ориентацию, может затем более точно направить антенну к Земле, улучшая качество радиосигналов, используемых для доплеровского слежения. Кроме того, измеряя углы между известными звездами и целевой планетой или луной, космический корабль может триангулировать свое положение относительно этих тел. Этот подход был использован миссией Новые горизонты , которая объединила данные звездоследователя с изображениями Плутона и его спутников, чтобы уточнить его траекторию во время исторического пролета 2015 года.
Последние достижения в области звездной навигации включают разработку алгоритмов идентификации звезд , которые могут работать без предварительного знания ориентации космического корабля. Эти алгоритмы используют геометрическое хеширование или нейронные сети для распознавания звездных паттернов даже при искажении перспективы камеры, что позволяет надежно работать во время высокоскоростных вращательных маневров или после аппаратных аномалий. Миссия Европейского космического агентства GAIA , которая создала самую подробную трехмерную карту Млечного Пути, также косвенно выиграла звездную навигацию, предоставив беспрецедентно точный каталог звезд, который будущие миссии могут использовать в качестве ориентира.
Ограничения и обходные пути
Звёздная навигация является высокоточным, но не полным решением. Она не работает, когда космический корабль находится в тени или когда его двигатели работают, так как выхлопной шлейф может скрыть вид звездного трекера. Чтобы компенсировать это, миссии часто используют гироскопы или инерциальные единицы измерения (IMU) для поддержания данных ориентации между обновлениями звездного трекера. Кроме того, поскольку звезды находятся так далеко, их положения меняются только незаметно в течение человеческих временных рамок, но релятивистские эффекты — такие как гравитационное изгибание света вблизи Солнца — должны быть смоделированы для самой высокой точности. Несмотря на эти проблемы, звездная навигация остается основополагающей технологией для глубокого космического зонда, и ее возможности продолжают улучшаться с помощью лучших датчиков и алгоритмов.
Навигация на основе радиосигналов: использование сетей Земли
Радиосигналы были основным средством навигации космических аппаратов с начала космической эры. Простейшим методом является двустороннее доплеровское слежение: наземная станция на Земле передает сигнал космическому аппарату, который затем повторно передает его обратно. Частотный сдвиг возвращаемого сигнала, вызванный относительной скоростью между космическим аппаратом и Землей, раскрывает радиальную скорость космического аппарата вдоль линии обзора. При сочетании с течением времени эти измерения скорости позволяют навигаторам реконструировать траекторию космического корабля.
Для более точного определения положения инженеры используют технику под названием Delta-Differential One-Way Ranging (Delta-DOR), также известную как VLBI (Very Long Baseline Interferometry) для навигации. В этом методе две широко разделенные наземные станции — часто на расстоянии тысяч километров друг от друга — одновременно получают сигнал от космического корабля. Измеряя крошечную разницу во времени прибытия сигнала на каждой станции и соотнося фазу несущей волны, угловое положение космического корабля в небе можно определить с точностью нескольких нанорадианов. На расстоянии Марса это приводит к позиционной неопределенности порядка нескольких сотен метров. NASA Deep Space Network (DSN) была рабочей лошадкой для такого отслеживания, со станциями в Калифорнии, Испании и Австралии, обеспечивающими непрерывное покрытие.
Дельта-ДОР имеет решающее значение для высокоточных маневров в планетарных миссиях. Например, во время приближения космического корабля Кассини к Сатурну, Дельта-ДОР использовалась для уточнения траектории, чтобы зонд мог пробить зазор между кольцами и выйти на орбиту. Совсем недавно доставка ровера в кратер Джезеро Настойчивость опиралась на обновления Дельта-ДОР в течение последних недель перед посадкой, гарантируя, что капсула входа поразила свою цель в течение нескольких километров.
Достижения в области радионавигации
Последние инновации еще больше подталкивают радионавигацию. Использование многочастотных каналов — отправка сигналов в X-диапазоне (8 ГГц) и Ka-диапазоне (32 ГГц) — уменьшает ошибки, вызванные атмосферой Земли и солнечной плазмой. Ка-диапазон, в частности, имеет более короткую длину волны и может модулироваться с более высокими скоростями передачи данных, улучшая как связь, так и навигацию. Кроме того, разрабатываются бортовые радионавигационные приемники , которые могут обрабатывать сигналы от нескольких наземных станций одновременно, что позволяет космическому кораблю оценивать собственное состояние в реальном времени, а не полагаться на наземные вычислительные решения. Эта автономия особенно ценна для миссий с длительными задержками светового времени, например, для внешних планет.
Еще одно перспективное направление — использование межпланетных созвездий . Так же, как спутники GPS обеспечивают навигацию на Земле, сеть космических аппаратов на Марсе или в точках Лагранжа может передавать сигналы, которые позволяют марсоходу или орбитальному аппарату триангулировать свое положение без необходимости поддержки на Земле. Сеть ретрансляции Марса уже обеспечивает прерывистое покрытие, но выделенная навигационная группировка значительно улучшит точность и доступность для будущих исследований человека.
Гибридные подходы: лучшее из обоих миров
Ни одна навигационная техника не идеальна для всех фаз глубокого космоса. Звёздная навигация даёт отличную ориентацию, но ограниченную информацию о положении; радиоотслеживание даёт точное положение и скорость, но зависит от инфраструктуры на Земле и подвержено задержкам и отключениям. Объединив эти методы, гибридная система может достичь как точности, так и надёжности. Например, космический корабль может использовать звёздные трекеры для поддержания своего положения при выполнении измерения Delta-DOR, гарантируя, что антенна направлена именно на Землю. Два потока данных затем сливаются в фильтр Калмана, который производит оценку состояния, которая более надежна, чем любой из методов.
Несколько миссий успешно реализовали гибридную навигацию. Космический аппарат Juno использует звездные трекеры для определения положения и радио-слежения для определения орбиты, но он также полагается на свой Передовой звездный компас — высокоточный звездный трекер, который также может измерять угловую скорость космического корабля. Во время его близких проходов над полюсами Юпитера звездные трекеры Juno ослеплены излучением, поэтому миссия полагается на гироскопы в течение коротких периодов, а затем перекалибровки со звездными трекерами после выхода из радиационного пояса. Эта гибридная стратегия позволила Juno составить карту гравитационного поля Юпитера с изысканной точностью, раскрывая детали внутренней структуры планеты.
Заглядывая вперед, гибридная навигация будет необходима для автономных космических аппаратов, которые должны перемещаться в реальном времени, не дожидаясь команд с Земли. Например, марсоход на Марсе может использовать комбинацию наблюдений за звездами (для определения его направления), одометрии (для отслеживания его движения) и радиосигналов с орбитального аппарата (для коррекции дрейфа). Такие системы уже тестируются на марсоходе Настойчивость , который использует визуальную одометрию и датчик солнца для ориентации и который, вероятно, выиграет от будущих навигационных созвездий на Марсе.
Пульсарная навигация: космические маяки
Возможно, самый футуристический подход к навигации в глубоком космосе включает в себя использование пульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, которые излучают лучи электромагнитного излучения с чрезвычайной регулярностью. Некоторые пульсары настолько стабильны, что их периоды вращения соперничают с атомными часами. Измеряя время прибытия импульсов от известных пульсаров, космический корабль может определить свое положение в трех измерениях, так же, как GPS-приемник на Земле использует спутниковые сигналы. Эта концепция называется рентгеновская навигация (XNAV) , потому что пульсары обычно излучают в рентгеновской полосе.
Эксперимент FLT:0 (SEXTANT)Station Explorer for X-ray Timing and Navigation Technology (SEXTANT) , возглавляемый Центром космических полетов имени Годдарда НАСА, продемонстрировал эту технику на приборе NICER NICER. В 2017 году SEXTANT удалось определить орбиту МКС, используя только сигналы пульсара, достигнув точности около 5 км — замечательный первый шаг. Для глубокого космоса навигация по пульсарам предлагает основное преимущество: независимость от Земли. Космический аппарат, выходящий далеко за пределы Солнечной системы, не сможет полагаться на отслеживание DSN, потому что сигналы будут слишком слабыми и отложенными во времени. Пульсары, напротив, всегда видны (при условии, что космический корабль имеет способный рентгеновский детектор) и обеспечивают систему отсчета, которая по существу фиксирована относительно Млечного Пути.
Проблемы остаются: пульсары — слабые источники, требующие больших областей сбора и длительного времени интеграции; модели времени пульсара должны быть чрезвычайно точными; и космический корабль должен быть в состоянии отличить импульсы от фонового шума. Тем не менее, несколько космических агентств активно исследуют XNAV. Китайский спутник XPNAV-1, запущенный в 2016 году, также продемонстрировал орбитальное время пульсара, и совместная европейско-японская концепция миссии под названием PULSE направлена на тестирование XNAV в глубоком космосе. Если успешная навигация по пульсару может стать стандартом для межзвездных зондов, позволяя им перемещаться к далеким звездам без какого-либо контакта с Землей.
Новые технологии и будущие направления
Помимо звездных, радио- и пульсарных сигналов, на горизонте появились несколько новых технологий, которые обещают революционизировать навигацию в глубоком космосе.
Оптическая связь как навигационная помощь
Лазерная связь предлагает гораздо более высокие скорости передачи данных, чем радио, но она также имеет навигационный потенциал. Когда наземная станция блокирует лазерный маяк космического корабля, полученная двусторонняя связь может обеспечить чрезвычайно точные измерения дальности и скорости диапазона. Лунная лазерная коммуникационная демонстрация (LLCD) в 2013 году достигла точности диапазона в нескольких сантиметрах от лунного расстояния, и Deep Space Optical Communications (DSOC) ] Миссия Psyche Психея будет расширять эту возможность до расстояний до Марса. Оптическая навигация может быть интегрирована со звездным отслеживанием, потому что тот же оптический скамейка, используемая для лазерных скамей, также может обнаруживать слабые звезды или планеты, упрощая набор датчиков космического корабля.
Квантовые датчики и атомные часы
Атомные часы следующего поколения на космических аппаратах могут значительно улучшить качество односторонней радионавигации. Если космический корабль несет сверхточные часы, он может измерять время полета сигнала от наземной станции без необходимости обратной связи, упрощая аппаратное обеспечение и снижая энергопотребление. Глубокие космические атомные часы (DSAC) НАСА продемонстрировали стабильность лучше, чем 10−13 в течение недель в космосе, а будущие версии могут обеспечить автономную одностороннюю навигацию в любой точке Солнечной системы. Квантовые датчики, такие как атомные интерферометры, могут измерять ускорение и вращение с беспрецедентной чувствительностью, позволяя космическим аппаратам перемещаться по инерциальным средствам в течение длительных периодов без дрейфа.
Искусственный интеллект для автономной навигации
Машинное обучение все чаще применяется к навигационным проблемам. Глубокие нейронные сети могут обрабатывать изображения звездных трекеров для мгновенной идентификации созвездий, даже с шумными или частичными данными. Алгоритмы обучения с подкреплением могут планировать траектории, которые учитывают неопределенности в гравитационных полях и давлении солнечного излучения. Например, автономный эксперимент Sciencecraft на спутнике Earth Observing-1 использовал ИИ для обнаружения извержений вулканов и автоматической повторной проверки космического корабля, но аналогичные подходы могут использоваться для навигации - обнаружения ориентиров на поверхности планеты и обновления траектории в режиме реального времени. Поскольку аппаратное обеспечение ИИ становится более радиационно закаленным и энергоэффективным, эти методы станут практичными для миссий в глубоком космосе.
Проблемы и соображения
Несмотря на обещание этих инновационных подходов, значительные препятствия должны быть преодолены, прежде чем они станут обычными. Автономия является обоюдоострым мечом: в то время как она уменьшает зависимость от Земли, она также требует бортовой обработки, которая должна быть проверена по наихудшим сценариям. Ограничения мощности являются серьезными для небольших космических аппаратов, и добавление звездного трекера, рентгеновского детектора или квантового датчика может превысить доступный энергетический бюджет. Радиация ухудшает датчики и электронику, особенно для миссий на Юпитер или за его пределами. Задержки светового времени означают, что любое наземное вмешательство будет слишком поздно для решений в реальном времени: марсоходу, испытывающему навигационный сбой, придется ждать десятки минут для инструкций с Земли, поэтому автономные методы так важны.
Стандартизация является еще одной проблемой. Каждая миссия в настоящее время разрабатывает свою собственную навигационную систему, но общая инфраструктура, такая как служба пульсарного эфемерида или универсальный механизм обновления каталога звезд, может снизить затраты и улучшить совместимость. Международная координация, аналогичная Межведомственной консультативной группе по операциям (IOAG) , которая уже облегчает перекрестную поддержку между космическими агентствами, будет необходима для обеспечения того, чтобы будущие суда дальнего космоса могли перемещаться с использованием согласованной системы отсчета.
Заключение
Навигация в глубоком космосе развивается от наземной, интенсивной для человека операции к автономной, мультисенсорной дисциплине, которая использует физику космоса. Звёздная навигация обеспечивает точность отношения, необходимую для направления и триангуляции; радиосигналы с Земли обеспечивают измерения дальности и скорости, которые определяют орбиты; гибридные системы объединяют эти сильные стороны для надежной работы; и навигация на основе пульсара предлагает независимую систему отсчета для миссий, которые оставляют Землю позади. Новые технологии — оптические лазерные связи, атомные часы, квантовые датчики и искусственный интеллект — обещают еще больше обострить эти инструменты, позволяя космическим кораблям исследовать Солнечную систему и за ее пределами со степенью автономии и точности, которая казалась невозможной всего лишь поколение назад. По мере того, как человечество готовится вернуться на Луну, установить присутствие на Марсе и в конечном итоге отправить зонды к звездам, эти инновационные навигационные подходы осветят путь.