ماهواره های ناسا بدون جی پی اس مسیر خود را می یابند

تصور کنید ماهواره‌ای دیگر برای پیدا کردن مسیر از زمین راهنمایی نخواهد و به‌جای آن، آسمان را مانند یک نقشه بخواند. این همان چیزی است که مأموریت استارلینگ ناسا عملا شروع به اثبات آن کرده است: ماهواره‌ها می‌توانند به‌جای تکیه بر جی‌پی‌اس، با استفاده از اجرام دیگر در مدار به‌عنوان نشانه‌های راهنما، موقعیت خود را پیدا کنند.

در ظاهر ساده به نظر می‌رسد، اما چنین نیست. سیگنال‌های جی‌پی‌اس وقتی از مدار پایین زمین دور می‌شوید ضعیف می‌شوند یا قابلیت اعتماد خود را از دست می‌دهند. در اطراف ماه و فواصل دورتر، شبکه‌های ناوبری سنتی پوشش چندانی فراهم نمی‌کنند. بنابراین مهندسان پرسش متفاوتی مطرح کردند: اگر یک فضاپیما بتواند از فهرست اجرام مداری، از ماهواره‌های دیگر و سخت‌افزارهای رهاشده گرفته تا حتی زباله‌های فضایی، به‌عنوان نقاط مرجع استفاده کند چه می‌شود؟ پاسخ در قالب بسته‌ای فشرده به نام فالکون ارائه شد، مخفف ناوبری نوری سریع، خودکار و مبتنی بر فهرست در وضعیت گم‌شده در فضا.

فالکون نرم‌افزار پروازی اِرا کور شرکت اِرادرایو را با دوربین‌های استارلینگ و یک فهرست داخلی از اجرام ردیابی‌شده ترکیب کرد و به این فضاپیمای کوچک امکان داد آنچه دوربین‌هایش می‌بینند را با پیش‌بینی‌های مداری شناخته‌شده مقایسه کند. وقتی تطبیق‌ها انجام می‌شود، فضاپیما موقعیت خود را محاسبه می‌کند و هم‌زمان مسیرهای پیش‌بینی‌شده اجرام نزدیک را دقیق‌تر می‌سازد. نتایج چشمگیر بود. در یک بازه کوتاه سه‌روزه، این سامانه بدون دخالت کنترل‌کنندگان زمینی، برآوردهای مداری بیش از ۲۰۰ جرم را بهبود داد.

چرا این موضوع مهم است؟ موقعیت‌یابی دقیق فقط یک مزیت ناوبری نیست. این قابلیت زیربنای کارزارهای علمی هماهنگ، منظومه‌هایی است که باید آرایش خود را حفظ کنند و هر عملیات سرنشین‌دار فراتر از زمین که در آن فضاپیماهای پشتیبان باید بدانند کجا هستند و دیگران به کدام سمت می‌روند. ناوبری نوری خودکار همچنین می‌تواند بار ایستگاه‌های زمینی را کاهش دهد و ماهواره‌ها را به مشارکت‌کنندگانی فعال در مدیریت ترافیک فضایی و پیشگیری از برخورد تبدیل کند.

چیدمان استارلینگ کاربردی و هوشمندانه بود. مهندسان فهرستی شامل حدود ۲۰ هزار جرم ردیابی‌شده را روی فضاپیما بارگذاری کردند. دوربین‌های معمول ردیاب ستاره که معمولا وظیفه دارند جهت‌گیری ماهواره را مشخص کنند، برای شناسایی اجرام دیگر در مدار به کار گرفته شدند. وقتی یک جرم مشاهده‌شده با یکی از ورودی‌های فهرست هم‌راستا می‌شد، نرم‌افزار از آن مشاهده به‌عنوان یک نشانه راهنما استفاده می‌کرد تا هم موقعیت خود ماهواره و هم پیش‌بینی فهرست برای آن جرم را دقیق‌تر کند.

می‌توان آن را شبیه دریانوردانی دانست که از فانوس‌های دریایی استفاده می‌کنند: اگر موقعیت فانوس‌ها را بدانید، می‌توانید با مشاهده آن‌ها موقعیت خود را مشخص کنید. اما گاهی جای فانوس‌ها دقیق نیست. فالکون هم‌زمان هم ناوبری می‌کند و هم نقشه را دوباره ترسیم می‌کند.

ماهواره‌ها اکنون می‌توانند از اجرام فضایی نزدیک به‌عنوان نشانه‌های عملی برای ناوبری بدون جی‌پی‌اس استفاده کنند و فهرست مسیرهای مداری را از داخل مدار به‌روزرسانی کنند.

این کار حاصل همکاری ناسا و اِرادرایو است، شرکتی منشعب از استنفورد که نرم‌افزار اِرا کور را تجاری‌سازی کرد، نرم‌افزاری که در ابتدا در چارچوب پژوهش‌های دانشگاهی توسعه یافته بود. استارلینگ به رهبری مرکز پژوهشی ایمز ناسا در سیلیکون‌ولی و با پشتیبانی مالی برنامه فضاپیماهای کوچک و سامانه‌های توزیع‌شده، محیط پروازی لازم را فراهم کرد تا این نرم‌افزار از آزمایشگاه خارج شود و در شرایط واقعی مدار آزموده شود.

استارلینگ در سال ۲۰۲۳ به‌عنوان یک گروه چهارتایی از فضاپیماها پرتاب شد. در ادامه امسال، این مأموریت آزمایش را گسترش می‌دهد: ماهواره‌ها داده‌های ردیابی را میان خود به اشتراک می‌گذارند و موقعیت‌های نسبی‌شان را دقیق‌تر می‌کنند. این تبادل داده می‌تواند شبکه‌ای از ماهواره‌های بی‌نیاز از جی‌پی‌اس را مقاوم‌تر کند، قابلیتی که به‌ویژه برای گروه‌های ماهواره‌ای قمری، سکوهای علمی توزیع‌شده یا هر مأموریتی که در آن سیگنال ناوبری قابل اتکای زمینی در دسترس نیست، ارزشمند خواهد بود.

این فناوری پیامدهای عملی دیگری هم دارد. برآوردهای بهتر مدار روی خود فضاپیما به هشدارهای برخورد دقیق‌تر و هدف‌گیری مناسب‌تر ابزارهایی کمک می‌کند که باید میان فضاپیماهای مختلف هم‌راستا شوند. همچنین با کاهش وابستگی به پردازش زمینی، مأموریت‌ها می‌توانند سریع‌تر به خطرها واکنش نشان دهند یا فرصت‌های علمی را در لحظه به دست آورند.

دستاوردهای استارلینگ روند دیگری را نیز آشکار می‌کند: خودمختاری فقط یک امکان راحت برای کاوشگران ژرفای فضا نیست؛ بلکه برای مدار شلوغ زمین و جاه‌طلبی‌هایی که تا ماه و فراتر از آن امتداد دارند، یک ضرورت عملیاتی است. این آزمایش دوربین‌های معمولی و نرم‌افزار هوشمند را به مجموعه‌ابزاری برای ناوبری تبدیل کرد و نشان داد حتی فضاپیماهای کوچک هم می‌توانند کمک‌خلبان‌هایی هوشمند باشند.

اگر ماهواره‌ها یاد بگیرند یکدیگر را به‌عنوان نشانه‌های راهنما بخوانند، هماهنگی مأموریت‌های فضایی آینده می‌تواند بسیار انعطاف‌پذیرتر شود و وابستگی بسیار کمتری به فرمان‌های زمینی داشته باشد. آیا این موضوع از این پس شیوه طراحی همه مأموریت‌ها را تغییر خواهد داد؟ به‌زودی خواهیم فهمید.