Une expérience de vol en formation de la NASA, StarFOX, met en évidence le potentiel de la navigation autonome pour les essaims de satellites. Cette expérience implique quatre cubesats, connus collectivement sous le nom de Starling, qui calculent leurs orbites en combinant des images visuelles de trackers stellaires avec des algorithmes robotiques.

"Un tel système de navigation visuelle sur un essaim de satellites peut être utilisé pour naviguer autour de la Terre", a déclaré Simone D’Amico, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique à l'Université de Stanford et directeur fondateur du Space Rendezvous Lab de Stanford, à SpaceNews. "Puisque nous n'utilisons pas le GPS, il peut être utilisé pour voler autour de la lune ou autour de Mars avec un niveau d'autonomie accru."

Les opérateurs de mission communiquent avec Starling, lancé sur un Rocket Lab Electron en juillet 2023, comme une seule entité. StarFOX est l'une des quatre expériences évaluant les technologies de communication, de navigation et d'autonomie pour les futurs essaims. Le succès de Starling a conduit la NASA à prolonger la mission jusqu'en décembre 2025.

Les tests de navigation précédents basés sur la vision impliquaient un satellite observateur et une cible, l'observateur connaissant la position initiale de la cible. StarFOX a démontré que quatre satellites peuvent naviguer de manière autonome "sans informations a priori et sans manœuvres pour améliorer la précision de la navigation", a expliqué D’Amico.

La clé du succès de StarFOX réside dans un ensemble d'algorithmes appelés angles-only Absolute and Relative Trajectory Measurement System (ARTMS). ARTMS combine des algorithmes de traitement d'images et de détermination initiale de l'orbite avec un algorithme qui affine les estimations de l'état de l'essaim au fil du temps.

"Nous avons appris quelles précisions sont réalisables en utilisant des trackers stellaires typiques utilisés sur les petits satellites", a partagé D’Amico. "Et nous avons appris comment nous pouvons améliorer ces performances, par exemple, en échangeant ces mesures visuelles qui sont prises par plusieurs observateurs."

Les satellites Starling échangent des données via des liaisons inter-satellites. "Si plusieurs observateurs voient une cible commune dans le champ de vision, échanger ces mesures et les fusionner dans nos algorithmes peut déterminer plus précisément et plus rapidement l'orbite de cet objet", a déclaré D’Amico. Il a ajouté que l'échange de données améliore également la connaissance de chaque satellite de sa propre orbite.

StarFOX a également mis en évidence l'importance des tests rigoureux. "Nous avons appris l'importance des tests complets, hardware-in-the-loop, effectués au sol avant le vol", a déclaré D’Amico. "Afin de respecter les contraintes de budget et de temps, nous avons effectué des tests unitaires individuels et sacrifié certains des tests intégrés qui nous auraient donné la pleine confiance dans l'exécution des expériences."

Au début de la mission Starling, le logiciel de vol a planté. Un ingénieur logiciel du NASA Ames Research Center a résolu le problème en allouant de la mémoire supplémentaire, en utilisant un modèle d'ingénierie au sol.