Nach zehn Monaten im Orbit hat der Starling-Raumschiffschwarm die wichtigsten Ziele seiner Hauptmission erfolgreich demonstriert und damit bedeutende Erfolge im Bereich der Leistungsfähigkeit von Schwarmkonfigurationen erzielt.
Satellitenschwärme könnten eines Tages zur Erforschung des Weltraums eingesetzt werden. Ein autonomes Netzwerk von Raumfahrzeugen könnte selbst navigieren, wissenschaftliche Experimente durchführen und Manöver ausführen, um auf Umweltveränderungen zu reagieren, ohne dass es zu erheblichen Kommunikationsverzögerungen zwischen dem Schwarm und der Erde kommen müsste.
„Der Erfolg von Starlings erster Mission stellt einen Meilenstein in der Entwicklung autonomer Netzwerke kleiner Raumfahrzeuge dar“, sagte Roger Hunter, Programmmanager des Small Spacecraft Technology-Programms der NASA am Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley. „Das Team war sehr erfolgreich darin, unsere Ziele zu erreichen und sich an die Herausforderungen anzupassen.“
Die Arbeit teilen
Das Experiment Distributed Spacecraft Autonomy (DSA), das an Bord von Starling durchgeführt wurde, demonstrierte die Fähigkeit des Raumfahrzeugschwarms, die Datenerfassung im gesamten Schwarm zu optimieren. Die CubeSats analysierten die Ionosphäre der Erde, indem sie interessante Phänomene identifizierten und einen Konsens zwischen den einzelnen Satelliten über einen Analyseansatz erzielten.
Durch die gemeinsame Nutzung der Beobachtungsarbeit innerhalb eines Schwarms können die einzelnen Raumfahrzeuge die „Last teilen“ und unterschiedliche Daten beobachten oder zusammenarbeiten, um tiefergehende Analysen bereitzustellen. Dies verringert den Arbeitsaufwand des Menschen und hält das Raumfahrzeug betriebsbereit, ohne dass neue Befehle vom Boden gesendet werden müssen.
Der Erfolg des Experiments bedeutet, dass Starling der erste Schwarm ist, der autonom Informationen und Betriebsdaten zwischen Raumfahrzeugen verteilt, um Pläne für ein effizienteres Arbeiten zu erstellen. Zudem ist es die erste Demonstration eines vollständig verteilten Bord-Argumentationssystems, das in der Lage ist, schnell auf Änderungen bei wissenschaftlichen Beobachtungen zu reagieren.
Kommunikation über den Schwarm hinweg
Ein Schwarm von Raumfahrzeugen benötigt ein Netzwerk, um untereinander zu kommunizieren. Das Mobile Ad-hoc Network (MANET)-Experiment hat automatisch ein Netzwerk im Weltraum aufgebaut, das es dem Schwarm ermöglicht, Befehle weiterzuleiten und Daten untereinander und mit der Erde zu übertragen sowie gemeinsam Informationen über andere Experimente auszutauschen.
Das Team hat alle Ziele des MANET-Experiments erfolgreich erreicht, einschließlich der Demonstration der Weiterleitung von Befehlen und Daten an eines der Raumfahrzeuge, das Probleme mit der Kommunikation zwischen Weltraum und Boden hat – ein wertvoller Vorteil eines kooperativen Raumfahrzeugschwarms.
„Der Erfolg von MANET zeigt die Robustheit eines Schwarms“, sagte Howard Cannon, Starling-Projektmanager bei NASA Ames. „Als beispielsweise bei einem Schwarmraumfahrzeug das Funkgerät ausfiel, haben wir das Raumfahrzeug von einer anderen Seite her ’side-loaded‘ und Befehle, Software-Updates und andere wichtige Informationen von einem anderen Schwarmmitglied an das Raumfahrzeug gesendet.“
Autonome Schwarmnavigation
Die Navigation und der Betrieb in Bezug zueinander und zum Planeten sind wichtige Bestandteile der Bildung eines Schwarms von Raumfahrzeugen. Das Starling Formation-Flying Optical Experiment (StarFOX) verwendet Sternentracker, um Schwarmmitglieder, andere Satelliten oder Weltraummüll im Hintergrundfeld der Sterne zu erkennen und dann die Position und Geschwindigkeit jedes Raumfahrzeugs zu schätzen.
Bei dem Experiment handelt es sich um die erste veröffentlichte Demonstration dieser Art der Schwarmnavigation. Sie umfasst die Fähigkeit, mehrere Mitglieder eines Schwarms gleichzeitig zu verfolgen und Beobachtungen zwischen den Raumfahrzeugen auszutauschen, wodurch die Genauigkeit bei der Bestimmung der Umlaufbahn jedes Schwarmmitglieds verbessert wird.
Gegen Ende der Mission wurde der Schwarm in eine passive Sicherheitsellipse manövriert. In dieser Formation konnte das StarFOX-Team einen bahnbrechenden Meilenstein erreichen: Es demonstrierte die Fähigkeit, die Umlaufbahnen des Schwarms autonom zu schätzen, indem es ausschließlich auf Intersatellitenmessungen der Sternentracker der Raumsonde zurückgriff.
Schwarmmanöver managen
Die Fähigkeit, Manöver mit minimalem menschlichen Eingriff zu planen und auszuführen, ist ein wichtiger Bestandteil der Entwicklung größerer Satellitenschwärme. Die autonome Verwaltung der Flugbahnen und Manöver von Hunderten oder Tausenden von Raumfahrzeugen spart Zeit und reduziert die Komplexität.
Das ROMEO-System (Reconfiguration and Orbit Maintenance Experiments Onboard) testet die Manöverplanung und -ausführung an Bord, indem es die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs schätzt und ein Manöver in eine neue gewünschte Umlaufbahn plant.
Das Experimentierteam hat erfolgreich demonstriert, dass das System in der Lage ist, eine Änderung der Umlaufbahn zu bestimmen und zu planen, und arbeitet an der Verfeinerung des Systems, um den Treibstoffverbrauch zu reduzieren und die Durchführung der Manöver zu demonstrieren. Das Team wird das System während der Missionsverlängerung von Starling weiter anpassen und weiterentwickeln.
Gemeinsam schwärmen
Nachdem Starlings primäre Missionsziele nun erfüllt sind, wird das Team eine Missionserweiterung namens Starling 1.5 in Angriff nehmen, bei der die Koordination des Weltraumverkehrs in Zusammenarbeit mit der Starlink-Konstellation von SpaceX getestet wird, die ebenfalls über autonome Manövrierfähigkeiten verfügt. Das Projekt wird untersuchen, wie Konstellationen, die von verschiedenen Benutzern betrieben werden, Informationen über einen Bodenknoten austauschen können, um mögliche Kollisionen zu vermeiden.
„Starlings Partnerschaft mit SpaceX ist der nächste Schritt beim Betrieb großer Netzwerke von Raumfahrzeugen und beim Verständnis, wie zwei autonom manövrierende Systeme sicher in der Nähe zueinander betrieben werden können. Da die Zahl der einsatzbereiten Raumfahrzeuge jedes Jahr zunimmt, müssen wir lernen, wie wir den Orbitalverkehr steuern können“, sagte Hunter.