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Algum dia, em vez de grandes e caros satélites espaciais individuais, equipes de satélites menores — conhecidas pelos cientistas como “enxame” — trabalharão em colaboração, permitindo maior precisão, agilidade e autonomia. Entre os cientistas trabalhando para tornar essas equipes uma realidade estão pesquisadores do Space Rendezvous Lab da Universidade de Stanford, que recentemente concluíram o primeiro teste em órbita de um sistema protótipo capaz de navegar em um enxame de satélites usando apenas informações visuais compartilhadas por uma rede sem fio.
“É um artigo marcante e o ápice de 11 anos de esforço do meu laboratório, que foi fundado com o objetivo de superar o atual estado da arte e prática em autonomia distribuída no espaço”, disse Simone D’Amico, professora associada de aeronáutica e astronáutica e autora sênior do estudo. “Starling é a primeira demonstração já feita de um enxame autônomo de satélites.”
O teste é conhecido como Starling Formation-Flying Optical Experiment, ou StarFOX. Nele, a equipe navegou com sucesso quatro pequenos satélites trabalhando em conjunto usando apenas informações visuais coletadas de câmeras de bordo para calcular suas trajetórias (ou órbitas). Os pesquisadores apresentaram suas descobertas do teste inicial do StarFOX em uma reunião de especialistas em satélites de enxame na Small Satellite Conference em Logan, Utah.
Todos os ângulos
D’Amico descreveu o desafio como um que tem impulsionado sua equipe por mais de uma década. “Nossa equipe tem defendido sistemas espaciais distribuídos desde o início do laboratório. Agora, isso se tornou popular. A NASA, o Departamento de Defesa, a Força Espacial dos EUA — todos entenderam o valor de múltiplos ativos em coordenação para atingir objetivos que, de outra forma, seriam impossíveis ou muito difíceis de atingir por uma única nave espacial”, disse ele. “As vantagens incluem precisão aprimorada, cobertura, flexibilidade, robustez e objetivos potencialmente novos ainda não imaginados.”
A navegação robusta do enxame apresenta um desafio tecnológico considerável. Os sistemas atuais dependem do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), exigindo contato frequente com sistemas terrestres. Além da órbita da Terra, há a Deep Space Network, mas ela é relativamente lenta e não é facilmente escalável para empreendimentos futuros. Além do mais, nenhum dos sistemas pode ajudar os satélites a evitar o que D’Amico chama de “objetos não cooperativos”, como detritos espaciais que podem tirar um satélite de serviço.
O enxame precisa de um sistema de navegação autocontido que permita um alto grau de autonomia e robustez, disse D’Amico. Tais sistemas são igualmente tornados mais atraentes pelos requisitos técnicos mínimos e custos financeiros das câmeras miniaturizadas e outros hardwares de hoje. As câmeras usadas no teste StarFOX são câmeras 2D comprovadas e relativamente baratas, chamadas rastreadores de estrelas, encontradas em qualquer satélite hoje.
“Em sua essência, a navegação somente por ângulos não requer hardware adicional, mesmo quando usada em espaçonaves pequenas e baratas”, disse D’Amico. “E a troca de informações visuais entre os membros do enxame fornece uma nova capacidade de navegação óptica distribuída.”
Escrito nas estrelas
O StarFOX combina medições visuais de câmeras individuais montadas em cada satélite em um enxame. Semelhante a um marinheiro antigo navegando em alto mar com um sextante, o campo de estrelas conhecidas no fundo é usado como referência para extrair ângulos de direção para os satélites em enxame. Esses ângulos são então processados a bordo por meio de modelos de força precisos baseados em física para estimar a posição e a velocidade dos satélites em relação ao planeta orbitado — neste caso, a Terra, mas a lua, Marte ou outros objetos planetários também funcionariam.
A StarFOX emprega o Sistema de Medição de Trajetória Absoluta e Relativa somente para ângulos do Space Rendezvous Lab — ARTMS, para abreviar — que integra três novos algoritmos de robótica espacial. Um algoritmo de Processamento de Imagem detecta e rastreia múltiplos alvos em imagens e calcula ângulos de direção do alvo — os ângulos nos quais objetos, incluindo detritos espaciais, estão se movendo em direção ou para longe um do outro. O algoritmo de Determinação de Órbita em Lote então estima a órbita grosseira de cada satélite a partir desses ângulos. Por último, mas não menos importante, o algoritmo de Determinação de Órbita Sequencial refina trajetórias de enxame com o processamento de novas imagens ao longo do tempo para potencialmente alimentar algoritmos autônomos de orientação, controle e prevenção de colisões a bordo.
Os dados são compartilhados por um link de comunicação entre satélites (ou rede sem fio). Tudo é usado para calcular posição e velocidade absoluta e relativa robustas com um grau notável de precisão sem GNSS. Sob as condições mais desafiadoras, usando apenas um único satélite observador, a StarFOX foi capaz de calcular a posição relativa — a posição de satélites individuais entre si — com uma precisão de 0,5% de sua distância. Quando vários observadores foram adicionados, essas taxas de erro caíram para apenas 0,1%.
O teste Starling foi considerado promissor o suficiente para que a NASA estendesse o projeto, agora conhecido como StarFOX+, até 2025 para explorar ainda mais essas capacidades aprimoradas e abrir caminho para futuras tecnologias de posicionamento e consciência situacional espacial.
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