Jak sterować pojazdem kosmicznym

Nawigacja pojazdem kosmicznym jest prowadzona najczęściej z Ziemi, gdzie stacje śledzące gromadzą i przetwarzają wszystkie dane o odległości i prędkości dla określenia orbity pojazdu kosmicznego. Nawigacja naziemna jest co prawda bardzo dokładna, lecz również kosztowna i wymaga ciągłej łączności. Wymaga ona również odpowiedniej ilości czasu, by przesłać informacje do pojazdu kosmicznego. Z tych powodów nie nadaje się ona do prowadzenia odległych misji kosmicznych, gdy konieczne jest natychmiastowe działanie, na przykład przy lądowaniu.

W przypadku misji eksploracji kosmosu, które będą zabierać do punktu przeznaczenia zrobotyzowane pojazdy i ewentualnie powracać z próbkami na Ziemię, kluczowe znaczenia ma również masa, jaka ma być wystrzelona i wysłana na orbitę. Finansowany ze środków UE projekt "Small integrated navigator for planetary exploration" (SINPLEX) miał odegrać kluczową rolę w znaczącym ograniczeniu masy podsystemu nawigacyjnego.

Naukowcy biorący udział w projekcie SINPLEX opracowali lekki, autonomiczny system nawigacji. Ten zintegrowany system nawigacji obejmuje sekstans automatyczny, wysokościomierz laserowy, kamerę wideo, inercyjny system pomiarowy i komputer pokładowy. Obniżenie masy przy zachowaniu wysokiej wydajności uzyskano poprzez miniaturyzację osprzętu czujników i fuzję danych w filtrze Kalmana.

Dzięki połączeniu druku przestrzennego 3D z odlewaniem metodą traconego wosku uzyskano bardzo kompaktowe, aluminiowe obudowy czujników. Korzyści z takiego połączenia obejmowały ogromne obniżenie masy i wysoki stopień integracji funkcjonalnej osprzętu czujników. Model latający ma masę poniżej 6 kg i został zaprojektowany, aby sprostać wymogom lądowania na asteroidzie lub księżycu oraz by móc przechwycić pojemnik z próbką na orbicie.

Model eksperymentalny systemu SINPLEX został poddany szeroko zakrojonym testom, aby scharakteryzować odpowiedź danego czujnika, jak również jego wpływ na ogólną wydajność systemu. Przeprowadzono testowanie z użyciem sprzętowego sprzężenia zwrotnego (HIL) dla oceny skuteczności nawigacyjnej przy reprezentatywnych trajektoriach pojazdów kosmicznych i dla zademonstrowania jego stosowalności dla automatycznej nawigacji.

Wyniki testu ujawniły, że system SINPLEX ma potencjał, aby być zaawansowanym systemem nawigacyjnym mogącym przynieść duże oszczędności w porównaniu do pakietu komercyjnych, standardowych komponentów o porównywalnej wydajności. Szereg usprawnień niezbędnych dla poprawy wydajności systemu jest już w trakcie realizacji, aby wiarygodnie wytyczać przyszłe loty w kosmos.