Un esperimento di volo in formazione della NASA, StarFOX, mette in mostra il potenziale della navigazione autonoma per gli sciami di satelliti. Questo esperimento coinvolge quattro cubesat, noti collettivamente come Starling, che calcolano le loro orbite combinando immagini visive dai tracciatori stellari con algoritmi robotici.

"Un sistema di navigazione visiva su uno sciame di satelliti può essere utilizzato per navigare intorno alla Terra", ha affermato Simone D'Amico, professore associato di aeronautica e astronautica presso la Stanford University e direttore fondatore del Space Rendezvous Lab di Stanford, a SpaceNews. "Poiché non utilizziamo il GPS, può essere utilizzato per volare intorno alla Luna o intorno a Marte con un livello di autonomia maggiore."

Gli operatori della missione comunicano con Starling, lanciato su un Rocket Lab Electron nel luglio 2023, come un'unica entità. StarFOX è uno dei quattro esperimenti che valutano le tecnologie di comunicazione, navigazione e autonomia per i futuri sciami. Il successo di Starling ha portato la NASA a estendere la missione fino a dicembre 2025.

I precedenti test di navigazione basati sulla visione coinvolgevano un satellite osservatore e un bersaglio, con l'osservatore che conosceva la posizione iniziale del bersaglio. StarFOX ha dimostrato che quattro satelliti possono navigare autonomamente "senza informazioni a priori e senza manovre per migliorare la precisione della navigazione", ha spiegato D'Amico.

La chiave del successo di StarFOX risiede in un set di algoritmi chiamato Angles-only Absolute and Relative Trajectory Measurement System (ARTMS). ARTMS combina algoritmi di elaborazione delle immagini e di determinazione iniziale dell'orbita con un algoritmo che affina le stime dello stato dello sciame nel tempo.

"Abbiamo imparato quali precisioni sono raggiungibili utilizzando i tipici tracciatori stellari utilizzati sui piccoli satelliti", ha condiviso D'Amico. "E abbiamo imparato come possiamo migliorare queste prestazioni, ad esempio scambiando queste misure visive che vengono prese da più osservatori."

I satelliti Starling scambiano dati tramite collegamenti inter-satellitari. "Se più osservatori vedono un bersaglio comune nel campo visivo, lo scambio di queste misurazioni e la loro fusione nei nostri algoritmi possono determinare in modo più accurato e rapido l'orbita di quell'oggetto", ha affermato D'Amico. Ha aggiunto che lo scambio di dati migliora anche la conoscenza di ogni satellite della propria orbita.

StarFOX ha anche evidenziato l'importanza di test rigorosi. "Abbiamo imparato l'importanza di test completi hardware-in-the-loop eseguiti a terra prima del volo", ha affermato D'Amico. "Per poterlo realizzare entro i vincoli di budget e tempo, abbiamo eseguito test unitari individuali e sacrificato alcuni dei test integrati che ci avrebbero dato la piena fiducia nell'esecuzione degli esperimenti."

All'inizio della missione Starling, il software di volo si è bloccato. Un ingegnere del software del NASA Ames Research Center ha risolto il problema allocando memoria aggiuntiva, utilizzando un modello di ingegneria a terra.