فناوری جدید برای فعال کردن ناوبری فضاپیماها

اختصاصی شبکه علمی ثریا- مکان‌یابی و نقشه‌برداری همزمان (SLAM) یک فناوری امیدوارکننده است که می‌تواند برای بهبود ناوبری سیستم‌های مستقل مورد استفاده قرار گیرد و به آنها کمک کند تا محیط اطراف خود را نقشه‌برداری کنند و سایر اشیاء درون آن را ردیابی کنند. این روش تا کنون، عمدتاً برای وسایل نقلیه زمینی و ربات‌های متحرک به کار رفته است، اما می‌توان آن را به طور بالقوه برای فضاپیماها نیز گسترش داد. محققان موسسه فناوری جورجیا (Georgia Tech) و مرکز پروازهای فضایی گودارد ناسا اخیرا AstroSLAM را ایجاد کرده اند، یک الگوریتم مبتنی بر SLAM که می تواند به فضاپیماها اجازه دهد تا به طور مستقل تر حرکت کنند. راه حل جدید، که معرفی شده است، می تواند به ویژه در مواردی مفید باشد که سیستم های فضایی در حال حرکت در اطراف یک جرم آسمانی کوچک، مانند یک سیارک هستند. مسئول یکی از این پروژه‌ها، می‌گوید: «کار اخیر ما بخشی از یک برنامه ESI (نوآوری‌های مرحله اولیه) با بودجه ناسا است که هدف آن این بود که فضاپیماهای آینده را برای مأموریت‌های اعماق فضا (مانند بازدید و بررسی سیارک‌ها) خودمختارتر کنیم.

"این مشکل بسیار جالب است زیرا به دلیل فواصل زیاد از زمین، انجام مانورهای مورد نیاز در اطراف سیارک به صورت بلادرنگ دشوار است. در عوض، روند فعلی به تیم بزرگی از اپراتورهای انسانی در زمین نیاز دارد. برای کاهش پیوند تصاویر گرفته شده از فضاپیما و تجزیه و تحلیل آنها به صورت آفلاین برای ایجاد نقشه های دیجیتالی زمین، که به معنای طراحی دقیق مانورهای فضاپیما است." اطمینان از حرکت فضاپیماها به روش های دلخواه در اطراف سیارک ها برای عوامل انسانی روی زمین یک کار پر زحمت، خسته کننده و وقت گیر است. بنابراین، مدلی که بتواند به طور مستقل شکل سیارک‌های مجاور را بازسازی کند و فضاپیما را با کمترین مداخله از زمین حرکت دهد، بسیار ارزشمند خواهد بود، زیرا می‌تواند مأموریت‌های اعماق فضا را تسهیل و به طور بالقوه سرعت بخشد.AstroSLAM، همان راه حل توسعه یافته می تواند به طور مستقل مکان و جهت فضاپیما را نسبت به سیارک های نزدیک یا سایر اجرام کوچک آسمانی را شناسایی کند. این کار را با تجزیه و تحلیل دنباله ای از تصاویر گرفته شده از دوربین روی فضاپیما در حالی که در حال چرخش به دور جرم آسمانی مورد نظر است، به دست می آورد. "AstroSLAM، همانطور که از نامش پیداست، مبتنی بر SLAM است، روشی که تاکنون با موفقیت زیادی در ربات های متحرک زمینی استفاده شده است، اما ما آن را به محیط فضایی تعمیم ندادیم.مدل ما همچنین می تواند یک نمایش سه بعدی از اجرام کوچک آسمانی ایجاد کند و اندازه و پارامترهای گرانشی آنها را تخمین بزند. این الگوریتم نقطه اوج بیش از پنج سال کار در ناوبری نسبی مبتنی بر دید برای فضاپیماهای، "دینامیک و کنترل" است.

بنابراینAstroSLAM می تواند موقعیت نسبی و جهت گیری فضاپیما را در استقلال کامل تخمین بزند. سپس می توان از این اطلاعات برای برنامه ریزی و اجرای مانورهای مختلف در مدار، از جمله فرود بر روی یک جرم آسمانی نزدیک استفاده کرد. این مدل همچنین می‌تواند تصاویری از شکل سه‌بعدی جرم آسمانی مجاور تولید کند و اندازه و پارامترهای گرانشی آن را تخمین بزند. یکی از تازه‌های AstroSLAM این است که محدودیت‌های حرکتی ناشی از دینامیک مداری را در نظر می‌گیرد، بنابراین راه‌حل ناوبری بسیار دقیق‌تری ارائه می‌کند.»AstroSLAM اتکای یک فضاپیما به خدمه زمینی انسان برای انجام محاسبات پیچیده را کاهش می‌دهد، بنابراین استقلال و قابلیت‌های ناوبری نسبی آن را افزایش می‌دهد. این همان راه حل "پشتیبان" در صورت شکست رویکرد اولیه است، زیرا تنها به یک دوربین تکیه می کند."

محققان فناوری خود را در یک سری آزمایش، با استفاده از داده‌های واقعی که توسط ناسا در طول مأموریت‌های فضایی قدیمی گرفته شده و داده‌های مصنوعی با وفاداری بالا که با استفاده از شبیه‌ساز فضاپیما در جورجیا تک تولید شده بود، ارزیابی کردند. یافته‌های آن‌ها بسیار امیدوارکننده بود و نشان می‌دهد که AstroSLAM در نهایت می‌تواند عملیات مستقل فضاپیما را در سناریوهای مختلف فعال کند. ما در حال حاضر در حال کار بر روی بهبود مرحله پردازش تصویر AstroSLAM (به عنوان مثال، تشخیص و ردیابی ویژگی برجسته)، با استفاده از یک معماری پیشرفته شبکه عصبی آموزش‌دیده بر روی پایگاه داده بزرگی از تصاویر واقعی سیارک‌ها از ناسا هستیم. پژوهشکر ارشد این پروژه می گوید  : ماموریت هایی برای شناسایی ویژگی های قابل اعتمادتر و برجسته تر سطح در حال انجام است. پس از ادغام با AstroSLAM، انتظار می‌رود این کار قابلیت اطمینان و استحکام را در برابر اندازه‌گیری‌های نادرست (فرات) و شرایط دشوار روشنایی افزایش دهد. این محقق و همکارانش در حال حاضر نیز در حال کار هستند تا به مدل‌ها اجازه دهند تصاویر نور مرئی و نور مادون قرمز را با هم ادغام کنند تا عملکرد بهتری داشته باشند. در نهایت، آنها مایلند رویکرد خود را به سناریوهای عملیاتی گسترش دهند که در آن تصاویر توسط چندین فضاپیما در مدار به طور همزمان گرفته می‌شوند.

یکی از نویسندگان مقاله و رهبری دینامیک پرواز برای عملیات مأموریت علمی فضایی در فضای گودارد ناسا، گفت: اجرام آسمانی کوچک، مانند سیارک‌ها، دنباله‌دارها و قمرهای سیاره‌ای، اهدافی جذاب و از نظر علمی ارزشمند برای اکتشاف هستند. با این حال، ماموریت‌ها به این اجرام، چالش‌های منحصربه‌فردی را برای ناوبری و عملیات با توجه به اندازه کوچک جسم و بزرگی نیروهای مزاحم نسبت به گرانش ایجاد می‌کنند.  فناوری هایی مانند AstroSLAM برای ساده کردن عملیات، کاهش اتکا به دارایی های زمینی و پرسنل برای نزدیکی مفید ، عملیات بلادرنگ، و امکان مفاهیم ماموریت بلندپروازانه تر و پروازهای نزدیک به سطح هستند."