借助2D摄像头和先进的太空机器人算法，航空航天工程师们开发了一种导航系统，仅使用视觉数据就能监控众多卫星。这个创新系统最近首次在太空中进行了测试。
未来，研究人员称之为“蜂群”的小型卫星组将协作，以提供更高的精确度、灵活性和操作独立性，而不是依赖昂贵且体积庞大的独立卫星。在朝着这一愿景努力的团队中，有斯坦福大学太空会合实验室的科学家，他们刚刚完成了一个原型的首次轨道试验，该原型可以仅通过无线网络获取的视觉数据来引导卫星蜂群。
“这是一个突破性的成就，标志着我实验室11年工作的巅峰，该实验室的使命是推进当前太空自主系统的能力，”航天航空学副教授、研究主要作者西蒙娜·达米科表示。“‘Starling’是首个完全自主的卫星蜂群的示范。”
这次实验被称为星鸟编队飞行光学实验（StarFOX），成功地操作了四颗小卫星的协同飞行，完全依赖于机载摄像头捕获的视觉数据来确定它们的飞行路径。从首次StarFOX测试的研究结果已经在犹他州洛根的小卫星会议上与专家进行了分享。
所有方面
达米科强调，这项挑战推动了他的团队十多年的努力。“自实验室成立以来，我们一直在推动分布式空间系统；现在这在该领域已被广泛认可。美国国家航空航天局、国防部、美国太空部队——每个人都认识到协调多种资产的好处，从而实现单一航天器无法或极具挑战性的目标，”他解释道。“这些好处包括提高精度、更广的覆盖范围、灵活性、韧性以及探索尚未想象的新目标的潜力。”
为蜂群提供强大的导航系统面临重大技术挑战。当前的导航方法依赖于全球导航卫星系统（GNSS），这需要与地球上的系统频繁通信。在深空中，存在深空网络，但它相对缓慢且难以用于未来项目。此外，达米科指出，任何一种选择都无法帮助卫星避免“非合作性物体”，如可能损坏其操作的太空垃圾。
蜂群需要一个自给自足的导航系统，允许高度的自主和韧性。达米科指出，随着当今小型摄像头和硬件的技术要求降低和成本减少，这些系统变得更加有吸引力。在StarFOX测试中使用的摄像头是经济实惠、可靠的2D摄像头，称为星跟踪器，通常可在现代卫星上找到。
“从本质上讲，基于角度的导航只需不额外的硬件，甚至可以应用于小型、廉价的航天器，”达米科表示。“此外，蜂群成员之间共享视觉信息引入了一种新型分布光学导航能力。”
星空中的启示
StarFOX通过使用每个卫星附加的独立摄像头的视觉测量来操作。就像古代水手利用六分仪在海上导航一样，这种方法涉及使用背景中的熟悉星星作为参考来计算指向卫星的方位角。这些角度随后在机载上使用精确的基于物理的力模型进行处理，以估计卫星相对于某个行星（在此情况下是地球，尽管可以扩展到月球、火星或其他天体）的位置信息和速度。
该系统利用了太空会合实验室的“仅基于角度的绝对和相对轨迹测量系统”（简称ARTMS），其中包含三种新型太空机器人算法。一种算法专注于图像处理，以识别和跟踪图像中的多个目标，计算它们的方位角——指示物体彼此接近或远离的角度。批量轨道确定算法根据这些角度计算每颗卫星的粗略轨道。最后，顺序轨道确定算法通过随时间处理新图像来增强蜂群的轨迹，可能为机载的自主导航、控制和碰撞避免系统提供信息。
卫星之间通过星际链路（无线网络）进行通信，使得可以在不依赖GNSS的情况下，极其准确地计算绝对和相对位置和速度。在非常挑战的条件下，仅使用一颗观察卫星，StarFOX成功地在其距离的0.5%内确定了相对位置（每颗卫星的位置信息相对于彼此）。随着更多观察卫星的加入，误差率令人印象深刻地减少到仅0.1%。
由于Starling测试的令人鼓舞的结果，NASA扩大了这一计划，现在称为StarFOX+，持续到2025年，以进一步研究这些增强能力并为未来的空间意识和定位技术铺平道路。
