GPS:n ongelma avaruudessa

Tässä jotain, mitä harvat tulevat ajatelleeksi: kun puhutaan satelliittien "navigoinnista", ne yleensä turvautuvat GPS-signaaleihin muilta satelliiteilta. Maan läheisyydessä tämä toimii mainiosti, mutta matka Kuuhun asti ja yhtäkkiä olet navigointikyvyttömällä vyöhykkeellä. GPS-signaalit eivät yksinkertaisesti yletä niin kauas, ja jo muutama sata kilometriä maanpinnan yläpuolella alkaa tulla ongelmia.

Tämä ei ole mikään pikkujuttu, kun NASA ja lukuisat muut avaruusjärjestöt sekä yritykset alkavat suunnitella vakavasti kuun kiertoratoja, Mars-lentoja ja satelliittiparvia muiden planeettojen ympärillä. Avaruudessa liidellessäsi et voi vain pysähtyä huoltoasemalle kysymään suuntaa.

Joten NASA teki sen, mitä NASA osaa parhaiten — löysi tyylikkään ratkaisun aivan silmiemme edessä.

Roskasi on minun navigointijärjestelmäni

Starling-missio — neljän pienen satelliitin muodostelma, joka laukaistiin vuonna 2023 — osoitti äskettäin jotain todella hämmästyttävää. Sen FALCON-järjestelmä (lyhenne pitkästä nimestä: Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation) pystyy määrittämään satelliitin tarkan sijainnin katsomalla muita avaruudessa leijuvia kohteita.

Ajattele asiaa näin: jos olet pimeässä huoneessa etkä näe seiniä, mutta näet ympärilläsi kokoelman hohtavia esineitä, voit arvioida sijaintisi sen perusteella, miten nuo esineet sijaitsevat suhteessa toisiinsa. Tätä FALCON käytännössä tekee — paitsi että "pimeä huone" on avaruus ja "hohtavat esineet" voivat olla aktiivisia satelliitteja, kuolleita satelliitteja, rakettien runkoja tai yleistä kiertorat roskaa.

Järjestelmä hyödyntää satelliitin tähtikameroidaa, jotka normaalisti auttavat satelliittia hahmottamaan suuntansa. FALCON kuitenkin käyttää niitä täysin uudella tavalla. Sen sijaan, että kamerat katsoisivat vain tähtiä, FALCON tunnistaa kaikki näkemänsä kohteen, vertaa sitä julkiseen rekisteriin tunnetuista avaruuskohteista (kyllä, sellainen roskaerien luettelo oikeasti on olemassa) ja käyttää näitä vahvistettuja kohteita referenssipisteinä oman sijaintinsa laskemiseen.

200 kohdetta kolmessa päivässä — ja laskenta jatkuu

Tässä kohtaa asiat alkavat todella kiinnostaa. Testauksen aikana FALCON tunnisti ja seurasi Starlingin kameroiden havaitsemia kohteita. Se vertasi näkemäänsä rekisterin tietoihin ja käytti havaintoja paitsi oman sijaintinsa selvittämiseen, myös niiden kohteiden kiertoratojen ennusteiden parantamiseen, joita se seurasi.

Pelkästään kolmessa päivässä, ilman maanohjaamon panosta, FALCON tarkensi yli 200 eri kohteen kiertoratoja. Ja tässä juttu: syntyneet arviot olivat todellisuudessa tarkempia kuin alkuperäiset rekisteritiedot. Satelliitti käytännössä opetti järjestelmälle jotain uutta ympäristöstään.

Tämä tuntuu suoraan tieteiskirjallisuudesta. Meillä on nyt avaruusaluksia, jotka osaavat tehdä omaa astronomian läksyään ja palata paremmilla vastauksilla kuin meillä oli ennestään.

Miksi tällä on merkitystä tulevaisuudelle

Olen aidosti innoissani tästä muutamasta syystä.

Ensinnäkin: ajattele avaruusliikenteen hallintaa. Ylhäällä pyörii tuhansia aktiivisia satelliitteja, ja määrä kasvaa nopeasti. Mahdollisuus seurata kohteita ilman täydellistä riippuvuutta maanpäällisistä tutkaverkoista tekisi törmäyksen välttämisestä paljon vankempaa. Jos satelliitit näkevät toisensa ja jakavat tiedon, kaikki hyötyvät.

Toiseksi, ja ehkä jopa jännittävämmin, tämä on juuri sellaista teknologiaa, jota tarvitaan kunnianhimoisissa Kuun portaali -suunnitelmissa ja tulevissa Mars-missioissa. Kun yrität koordinoida useita aluksia Kuun ympärillä, et voi jatkuvasti soittaa kotiin selvittääksesi kaikkien sijainteja. Pelkkä viive tekisi reaaliaikaisen ohjauksen mahdottomaksi. Mutta jos satelliitit pystyvät navigoimaan itse? Se muuttaa kaiken.

Starling-tiimi aikoo viedä tätä vielä pidemmälle myöhemmin tänä vuonna. Neljä alusta jakavat seurantahavaintonsa keskenään ja yhdistävät dataa sijaintien tarkentamiseksi yhteistyössä. Kuvittele pieni satelliittiparvi, joka kaikki yhdessä kartoittaa omaa naapurustaan reaaliajassa. Aika siistii, eikö?

Stanfordin laboratoriosta avaruuteen

Pidän siitä, että tämä sai alkunsa yliopistotutkimuksesta. EraDrive, yritys joka nyt kaupallistaa teknologian, syntyi Stanfordin yliopistosta NASA:n pienten satelliittien kumppanuusohjelmien kautta. Näin avaruusteknologian pitäisikin kehittyä — otetaan hyvät ideat tutkijoilta, annetaan heille todellinen ympäristö testata toimivuutta, ja jos homma toimii, autetaan laajemmalle markkinoille.

Tarvitsemme paljon enemmän tällaista fiksua ohjelmistoa, kun avaruus käy yhä tungoksellisemmaksi. GPS ei ole tulossa Kuuhun lähiaikoina, joten yhtä hyvin voimme opettaa satelliittejamme selvittämään asioita itse.

Ja rehellisesti? Jos nämä pienet avaruusalukset pystyvät navigoimaan käyttämällä satunnaista avaruusromua kompassinaan, ehkä siinä on elämänopetus siitä, miten parhaiten hyödyntää ympärillä olevia resursseja.