Когда речь идет о том, как быстро что-то происходит, многим людям сложнее всего понять, что им приходится спрашивать: «По сравнению с чем?» Любое движение имеет смысл только в определенной системе отсчета, и многим космическим кораблям, путешествующим в глубинах пустоты, не хватает какой-либо регулярной точки отсчета, на основе которой можно было бы понять, насколько быстро они движутся. Было несколько различных методов решения этой проблемы, но один из них, который находился в разработке дольше всего, — это StarNAV — способ навигации в космосе, используя только звезды.
Несколько проектов под названием «StarNAV», похоже, находятся на разных стадиях разработки, включая грант Института передовых концепций НАСА для некоторых исследователей на восточном побережье США и небольшую начинающую компанию, основанную на технологиях из Калифорнийского университета в Ирвине. В данном случае мы рассмотрим работу, проделанную исследователями, в частности, статью, которую они опубликовали в прошлом году, в которой подробно описывается некоторый прогресс в создании прототипа.
Технология, разработанная Полом Макки из Политехнического института Ренсселера, Хоангом Нгуеном и Майклом Куденовым из штата Северная Каролина и Джоном Кристианом из Технологического института Джорджии, основана на специфической особенности звезд, известной как звездная аберрация. Согласно определению Специальной теории относительности, звездная аберрация возникает, когда скорость наблюдателя изменяет видимое расстояние между ним и звездой.
Этот метод использовался раньше; однако при расчете мгновенной скорости космического корабля он имел широкий диапазон ошибок. Обычно существующие решения используют большой телескоп для точного измерения свойства, известного как «межзвездный угол» между двумя звездами, в относительно узком поле зрения. Если это достаточно точно, некоторые довольно сложные математические вычисления могут определить скорость космического корабля только с одного межзвездного угла.
Получить достаточно точные измерения – сложная задача. Чтобы точно определить положение отдельной звезды в межзвездной паре, многие телескопы должны иметь узкое поле зрения (FOV). Такое узкое поле зрения означает, что с помощью одного телескопа можно отслеживать только одну звезду, а для этого требуется второй телескоп и сложная метрологическая система для отслеживания относительного выравнивания этих телескопов.
Исследователи NIAC придумали метод, в котором используются несколько менее точные измерения угла между звездами, но множественные измерения, а также еще раз использование причудливой математики для расчета точного измерения скорости без сложных систем слежения.
Кредит: Пол Макки, Хоанг Нгуен, Майкл В. Куденов, Джон А. Кристиан.
Система, описанная в статье, состоит из трех разных телескопов, смещенных друг от друга под известными углами, каждый из которых наблюдает за отдельной парой звезд. С помощью этих трех немного менее точных измерений алгоритм все же может вычислить среднюю звездную аберрацию и, следовательно, разумную оценку скорости космического корабля.
Если в этом процессе уже было недостаточно математики, авторы решили доказать точность своей системы, проведя несколько экспериментов с использованием любимого алгоритма случайного тестирования каждого математика – моделирования Монте-Карло. Несмотря на то, что они обнаружили некоторые мешающие факторы, которые необходимо учитывать в процессе калибровки, моделирование показало, что, по крайней мере теоретически, система будет работать с точностью по сравнению с лучшими решениями с узким полем обзора, доступными в настоящее время, и будет намного дешевле и дешевле. проще в эксплуатации.
В качестве окончательного доказательства концепции исследователи также смоделировали, насколько большой будет такая система. Они поместили его в кубическое шасси высотой 3U и размерами примерно 10 x 30 x 10 см. А благодаря модульности конструкции CubeSats, возможно, любой такой модуль можно будет прикрепить к другому шасси в рамках полноценной миссии.
Кредит: Пол Макки, Хоанг Нгуен, Майкл В. Куденов, Джон А. Кристиан.
Однако этого еще не произошло, и похоже, что полный прототип этой системы еще не создан. Хотя, как упоминалось выше, существует стартап, стремящийся коммерциализировать очень похожую технологию, но в основном для наземной навигации в качестве альтернативы GPS – у них есть несколько военных контрактов, которые будут искать способы продолжить навигацию, если GPS появится. быть выведенным из строя действиями противника.
Поскольку все больше и больше космических кораблей начинают отправляться в глубокий космос, улучшение способа расчета их скорости станет все более серьезной проблемой. StarNAV, кажется, имеет хорошие возможности для этого – просто для этого нужно немного больше усилий на стадии прототипирования.
Узнать больше:
Макки и др. – StarNAV с оптическим датчиком с широким полем зрения
UT – Пусть робот возьмет руль на себя. Автономная навигация в космосе
UT – Путешествие по Солнечной системе с помощью пульсарной навигации
UT – Навигация по Солнечной системе с использованием пульсаров в качестве GPS
Ведущее изображение:
Оптическая установка аналогична той, что используется на телескопах StarNAV.
Кредит: Пол Макки, Хоанг Нгуен, Майкл В. Куденов, Джон А. Кристиан.
