工程师首次进行“群”卫星自主导航在轨测试
将来，不再需要单个大型、昂贵的太空卫星，而是一群小型卫星（科学家称之为“卫星群”）协同工作，从而提高准确性、灵活性和自主性。致力于让这些团队成为现实的科学家中包括斯坦福大学太空会合实验室的研究人员，他们最近完成了有史以来首次在轨测试原型系统，该系统能够仅使用通过无线网络共享的视觉信息来导航一群卫星。“这是一篇里程碑式的论文，也是我实验室 11 年努力的结晶，我的实验室成立的目标是超越目前太空分布式自主技术的最新水平和实践，”航空航天学副教授、这项研究的资深作者西蒙尼·达米科 (Simone D'Amico) 表示，该研究已在arXiv预印本服务器上发表。“Starling 是有史以来第一次展示自主卫星群。”
这项测试被称为 Starling 编队飞行光学实验 (StarFOX)。在这项实验中，该团队仅使用机载摄像头收集的视觉信息来计算四颗小型卫星的轨迹 (或轨道)，成功导航了四颗并列工作的小型卫星。研究人员在犹他州洛根举行的小型卫星会议上，在卫星群专家聚会上展示了他们从最初的 StarFOX 测试中获得的发现。
四艘航天器正在 NASA 艾姆斯研究中心进行集成和测试。图片来源：NASA/Dominic Hart
所有角度
达米科称，这一挑战已经推动他的团队十多年。“自实验室成立以来，我们的团队一直在倡导分布式空间系统。现在它已成为主流。NASA、国防部、美国太空部队都认识到了多种资产协同的价值，以实现单个航天器无法或很难实现的目标，”他说。“优势包括提高准确性、覆盖范围、灵活性、稳健性，以及可能实现尚未想象到的新目标。”
卫星群的稳健导航是一项巨大的技术挑战。当前的系统依赖于全球导航卫星系统 (GNSS)，需要与地面系统频繁联系。地球轨道之外还有深空网络，但它的速度相对较慢，不易扩展到未来的项目。更重要的是，这两个系统都无法帮助卫星避开达米科所说的“不合作物体”，比如可能导致卫星无法使用的太空垃圾。
D'Amico 表示，卫星群需要一套独立的导航系统，以实现高度的自主性和稳健性。如今微型相机和其他硬件的技术要求和财务成本都很低，这也使得此类系统更具吸引力。StarFOX 测试中使用的相机是经过验证的、相对便宜的 2D 相机，称为星体跟踪器，如今任何卫星上都有这种相机。
“从本质上讲，角度导航不需要额外的硬件，即使是在小型廉价航天器上使用也是如此，”达米科说。“集群成员之间交换视觉信息提供了一种新的分布式光学导航能力。”
写在星星上
StarFOX 结合了安装在卫星群中每颗卫星上的单个摄像头的视觉测量。类似于古代水手使用六分仪在公海上航行，背景中已知恒星的场被用作参考，以提取到卫星群的方位角。然后通过精确的基于物理的力模型在机上处理这些角度，以估计卫星相对于轨道行星的位置和速度；在本例中是地球——但月球、火星或其他行星物体也同样适用。
StarFOX 采用了太空会合实验室的仅测量角度的绝对和相对轨迹测量系统（简称 ARTMS），该系统集成了三种新的太空机器人算法。图像处理算法可检测和跟踪图像中的多个目标，并计算目标方位角（即物体（包括空间碎片）相互靠近或远离的角度）。然后，批量轨道确定算法根据这些角度估算每颗卫星的粗轨道。最后但并非最不重要的是，顺序轨道确定算法通过随时间处理新图像来改进群轨迹，从而可能为机载自主制导、控制和防撞算法提供信息。
更多信息： Justin Kruger 等人，Starling 编队飞行光学实验：初始操作和飞行结果，arXiv (2024)。DOI ：10.48550/arxiv.2406.06748
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