Ein Formationsflug-Experiment der NASA, StarFOX, zeigt das Potenzial der autonomen Navigation für Satelliten-Schwärme. Dieses Experiment beinhaltet vier Cubesats, die zusammen als Starling bekannt sind und ihre Bahnen berechnen, indem sie visuelle Bilder von Sternen-Trackern mit Robotik-Algorithmen kombinieren.
"Ein solches visuelles Navigationssystem auf einem Schwarm von Satelliten kann verwendet werden, um um die Erde zu navigieren", sagte Simone D’Amico, Associate Professor für Luft- und Raumfahrttechnik an der Stanford University und Gründungsdirektor des Space Rendezvous Lab von Stanford, gegenüber SpaceNews. "Da wir kein GPS verwenden, kann es verwendet werden, um mit einem höheren Maß an Autonomie um den Mond oder um den Mars zu fliegen."
Missionsoperatoren kommunizieren mit Starling, das im Juli 2023 auf einer Rocket Lab Electron gestartet wurde, als eine Einheit. StarFOX ist eines von vier Experimenten, die Kommunikations-, Navigations- und Autonomietechnologien für zukünftige Schwärme bewerten. Der Erfolg von Starling hat die NASA dazu veranlasst, die Mission bis Dezember 2025 zu verlängern.
Frühere visionbasierte Navigationstests beinhalteten einen Beobachtungs-Satelliten und ein Ziel, wobei der Beobachter den ursprünglichen Standort des Ziels kannte. StarFOX hat gezeigt, dass vier Satelliten autonom "ohne a priori Informationen und ohne Manöver zur Verbesserung der Navigationsgenauigkeit" navigieren können, erklärte D’Amico.
Der Schlüssel zum Erfolg von StarFOX liegt in einer Reihe von Algorithmen, die als angles-only Absolute and Relative Trajectory Measurement System (ARTMS) bezeichnet werden. ARTMS kombiniert Bildverarbeitungs- und Initialorbit-Bestimmungsalgorithmen mit einem Algorithmus, der die Schwarm-Zustandsabschätzungen im Laufe der Zeit verfeinert.
"Wir haben gelernt, welche Genauigkeiten mit typischen Stern-Trackern erzielt werden können, die auf Kleinsatelliten verwendet werden", teilte D’Amico mit. "Und wir haben gelernt, wie wir diese Leistung verbessern können, zum Beispiel durch den Austausch dieser visuellen Messungen, die von mehreren Beobachtern durchgeführt werden."
Starling-Satelliten tauschen Daten über Inter-Satelliten-Verbindungen aus. "Wenn mehrere Beobachter ein gemeinsames Ziel im Sichtfeld sehen, können sie diese Messungen austauschen und in unsere Algorithmen zusammenführen, um die Umlaufbahn dieses Objekts genauer und schneller zu bestimmen", sagte D’Amico. Er fügte hinzu, dass der Datenaustausch auch das Wissen jedes Satelliten über seine eigene Umlaufbahn verbessert.
StarFOX hat auch die Bedeutung rigoroser Tests hervorgehoben. "Wir haben gelernt, wie wichtig vollständige Hardware-in-the-Loop-Tests sind, die vor dem Flug am Boden durchgeführt werden", erklärte D’Amico. "Um dies innerhalb der Budget- und Zeitvorgaben zu ermöglichen, haben wir einzelne Einheitentests durchgeführt und einige der integrierten Tests geopfert, die uns das volle Vertrauen in die Ausführung der Experimente gegeben hätten."
Zu Beginn der Starling-Mission stürzte die Flugsoftware ab. Ein Software-Ingenieur des NASA Ames Research Center behebt das Problem, indem er zusätzlichen Speicher zuweist und ein Engineering-Modell am Boden verwendet.