Het GPS-probleem in de ruimte

Wist je dat navigatiesatellieten zelf ook GPS gebruiken? Veel mensen realiseren zich dat niet. Zo'n systeem werkt prima dicht bij de aarde, maar ga maar eens naar de maan en je staat letterlijk in een navigatiedodehoek. GPS-signalen halen het niet zo ver. Sterker nog: zelfs een paar honderd kilometer boven ons hoofd wordt het al een beetje penibel.

Dit wordt een flink probleem nu NASA en andere ruimtevaartorganisaties concrete plannen maken voor maanbanen, Mars-missies en hele zwermen satellites rond andere planeten. Je kunt nou eenmaal niet zomaar ergens stoppen om de weg te vragen als je door de lege ruimte zweeft.

Gelukkig kwam NASA met een slimme oplossing. Eentje die eigenlijk al die hele tijd voor het oprapen lag.

Je rotzooi is mijn navigatiesysteem

De Starling-missie bestaat uit vier piepkleine satellieten die in 2023 gelanceerd werden. Afgelopen tijd hebben ze iets indrukwekkends laten zien. Hun FALCON-systeem (een afkorting voor iets dat nogal een mond vol is: Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation) kan precies bepalen waar een ruimtevaartuig zich bevindt door naar andere objecten in de buurt te kijken.

Stel het zo voor: je staat in een donkere kamer en je kunt de muren niet zien. Maar je ziet wel een stel glimmende dingen om je heen zweven. Op basis van waar die dingen ten opzichte van elkaar staan, kun je ongeveer uitvogelen waar jij bent. Zo ongeveer werkt FALCON ook, behalve dan dat de donkere kamer de ruimte is en de glimmende dingen actieve satellieten zijn, kapotte satellieten, rakettrappen en puin dat rond de aarde zweeft.

Het systeem gebruikt de star tracker-camera's van het ruimtevaartuig. Die camera's zijn er normaal gesproken alleen om de satelliet te helpen bepalen welke kant hij op wijst. FALCON past ze totaal anders toe. In plaats van alleen naar sterren te kijken, identificeert het systeem elk object dat het kan zien, vergelijkt dat met een openbare catalogus van bekende ruimteobjecten (ja, er bestaat echt zoiets als een catalogus van rommel in de ruimte) en gebruikt die bevestigde objecten als referentiepunten om de eigen positie te berekenen.

Tweehonderd objecten in drie dagen — en het gaat door

En nu wordt het echt interessant. Tijdens de tests kon FALCON objecten identificeren en volgen die de camera's van Starling zagen. Het vergeleek wat het waarnam met de catalogusgegevens en gebruikte die waarnemingen om niet alleen de eigen locatie te bepalen, maar ook de baanvoorspellingen van de objecten die het volgde te verbeteren.

Binnen slechts drie dagen, zonder enige input van grondcontrollers, verfijnde FALCON de banen van meer dan tweehonderd verschillende objecten. En het mooie? De resulterende schattingen waren eigenlijk nauwkeuriger dan de oorspronkelijke catalogusgegevens. De satelliet leerde het systeem eigenlijk iets nieuws over zijn omgeving.

Dat voelt als iets uit sciencefiction. Ruimtevaartuigen die hun eigen sterrenkundige huiswerk kunnen maken en met betere antwoorden terugkomen dan wij voorheen hadden.

Waarom dit belangrijk is voor de toekomst

Ik vind dit om een paar redenen enorm激动. Ja,激动, zo opgewonden ben ik.

Ten eerste: ruimteverkeersmanagement. We hebben nu duizenden actieve satellieten daarboven, en dat aantal groeit hard. Als we objecten kunnen volgen zonder volledig afhankelijk te zijn van grondradar-netwerken, wordt uitwijkmanoeuvres om botsingen te voorkomen een stuk robuuster. Als satellieten elkaar kunnen zien en die informatie kunnen delen, wint iedereen.

Ten tweede, en misschien nog wel opwindender: dit is precies de technologie die we nodig hebben voor die ambitieuze plannen rond de lunar Gateway en toekomstige Mars-missies. Als je probeert meerdere ruimtevaartuigen rond de maan te coördineren, kun je niet de hele tijd naar huis bellen om te vragen waar iedereen is. De vertraling alleen al maakt real-time begeleiding onmogelijk. Maar als je satellieten voor zichzelf kunnen navigeren? Dat verandert alles.

Het Starling-team wil dit later dit jaar nog verder pushen. De vier ruimtevaartuigen gaan hun tracking-waarnemingen met elkaar delen, hun data combineren en zo gezamenlijk posities verfijnen. Stel je voor: een klein groepje satellieten dat samenwerkt om zijn eigen buurt in realtime in kaart te brengen. Best cool, toch?

Van Stanford-laboratorium naar de ruimte

Ik vind het geweldig dat dit begonnen is als een universitair onderzoeksproject. EraDrive, het bedrijf dat de technologie nu commercialiseert, kwam voort uit Stanford University via NASA's SmallSat-partnerschapsprogramma's. Zo hoort ruimtetechnologie zich te ontwikkelen: neem goede ideeën van onderzoekers, geef ze een echte omgeving om zich te bewijzen, en als het werkt, help ze naar de bredere markt.

We gaan een heleboel slimme software nodig hebben zoals dit nu de ruimte steeds voller wordt. GPS komt voorlopig niet naar de maan, dus we kunnen onze satellieten maar beter leren om dingen zelf uit te zoeken.

En eerlijk? Als deze kleine ruimtevaartuigen kunnen navigeren met willekeurige stukjes ruimtepuin als hun gids, dan zit er misschien wel een levensles in over het maken van het beste van wat je om je heen hebt.