Mit einem kleinen Netzwerk von Satelliten rund um den Mars könnten Rover autonom navigieren

Wenn es um die Erforschung des Mars „am Boden“ geht, sind Rover ziemlich gute Vorab-Scouts. Von Pathfinder bis Perseverance haben wir beobachtet, wie diese halbautonomen Roboter das tun, was menschliche Entdecker in Zukunft tun wollen. Jetzt untersuchen Ingenieure Möglichkeiten, die Rover-Exploration auf dem Mars auszuweiten. Eine Sache, an die sie denken: Konstellationen von Kommunikationssatelliten für die Navigation auf der Marsoberfläche.

Die aktuelle Generation von Mars-Rovern landete an leicht zugänglichen Orten. Andere Marsregionen wie die Pole oder Valles Marineris bleiben weitgehend unberührt. Das liegt zum Teil daran, dass sie schwer zu erreichen sind und ihre Wetterbedingungen eine Herausforderung darstellen. Die Pole enthalten viele Hinweise auf das Klimasystem des Mars. Obwohl bekannt ist, dass eine Kappe hauptsächlich aus Wassereis besteht, könnten beide Kappen zusätzliches Wasser entweder in unterirdischen Seen oder unter den Kappen gefroren enthalten (oder verstecken). Dies ist ein Rohstoff, den alle zukünftigen Marsforscher zum Überleben und für andere Operationen anzapfen müssen. All diese Gründe machen die Polarregionen zu einem Hauptziel für zukünftige Rover.

Heute erledigen Orbiter um den Mars die schwere Arbeit der Kommunikation zwischen der Erde und dem roten Planeten. Aber die zukünftige Erforschung erfordert flexiblere Kommunikationssysteme, insbesondere wenn wir die Polarregionen untersuchen wollen. Stellen Sie sich also dieses Szenario vor: Die NASA oder eine andere Behörde möchte eine Rover-Flotte zu den Polkappen des Mars schicken. Die Entfernung erschwert die Kommunikation vom Boden zu den Rovern bei jeder Bewegung. Lichtlaufzeiten von vielen Minuten können die Navigation in „Echtzeit“-Situationen sehr erschweren. Die Lösung besteht darin, Satellitenkonstellationen einzusetzen, die die Polarregionen „sehen“ und den Rovern helfen können, genauer zu navigieren.

Kleine Satelliten zur Rettung

Ein Team von Ingenieuren unter der Leitung von Ph.D. Die Studentin Serena Molli von der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Universität Sapienza in Rom führte eine Konzeptstudie zu Konstellationen kleiner Satelliten (Smallsat) auf dem Mars durch. Ihr Ziel ist es, eines zu entwerfen, das fast vollständig autonom ist und die relative und absolute Positionierung seiner Knoten auf dem Planeten handhaben kann. Die Konstellation sollte die Navigation für andere Sonden unterstützen, wie z. B. Objekte in der Eintritts-, Abstiegs- und Landephase (EDL) sowie Lander, Rover oder Orbiter. Die Knoten würden über eine Inter-Satellite-Verbindung (ISL) miteinander und mit den Rovern und anderen Installationen auf der Oberfläche kommunizieren.

In einer kommenden Veröffentlichung in Acta Astronautica, Molli und das Team skizzieren Modelle für zwei solcher Konstellationen. Sie konzentrieren sich auf Systeme, die keine ständigen Updates von der Erde benötigen. Jeder verwendet fünf Satelliten, um miteinander und mit der Oberfläche zu kommunizieren. Abhängig von ihrer Orbitalkonfiguration könnten sie die Polarregionen nahezu konstant abdecken.

„Wir haben mit diesem autonomen Navigationssystem ohne die Notwendigkeit einer KI-Programmierung eine hervorragende Leistung erzielt“, erklärte Molli. „Die Onboard-Software stützt sich auf eine dedizierte Orbit-Bestimmungstheorie und Algorithmen, die an die Herausforderung des neuartigen autonomen Navigationssystems angepasst sind. Die Onboard-Orbit-Bestimmungssoftware kann jedoch von Updates profitieren. Das System lässt diese zu. Was wir brauchen, ist ein ausreichend leistungsfähiges Bordcomputer und regelmäßige Kontakte zur Erde, sowohl für Gesundheitschecks des Systems, verbesserte Umlaufbahnbestimmung und, falls erforderlich, Software-Upgrades.“

Navigieren auf dem Mars

Die vom Team vorgeschlagenen Navigationssysteme basieren auf Kleinsatelliten, die derzeit beim italienischen Luft- und Raumfahrttechnikkonzern Argotec entwickelt werden. Sie arbeiten an einem vorgeschlagenen Mikrosatelliten-basierten „Internet des Mondes“-System namens ANDROMEDA. Die von Mollis Team vorgeschlagenen Systeme verfügen über die erforderliche ISL-Technologie, die die Kommunikation zwischen Satellitenknoten fördert. Dies wurde zuvor für die terrestrische und planetare Geodäsie verwendet, insbesondere bei den Missionen GRACE und GRAIL.

Die Anwendung auf dem Mars erfordert viele Daten über den Planeten, damit das System effizient funktioniert. „Bei unserer Arbeit nutzen wir das bisherige Wissen über das Gravitationsfeld des Mars aus Missionen wie MRO (Mars Reconnaissance Orbiter) und MGS (Mars Global Surveyor)“, sagt Molli. „Dadurch kann das Raumfahrzeug der Konstellation seine Position autonom oder mit einer sporadischen Verbindung zur Erde bestimmen, abhängig von der Höhe der Umlaufbahnen und folglich von den Auswirkungen der Gravitationsgradienten auf die Dynamik des Raumfahrzeugs.“

Kleine Satelliten auf anderen Welten

Das Team weist darauf hin, dass diese Smallsat-Konstellationen mit niedrigen Entwicklungs- und Startkosten und kurzen Entwicklungszeiten einhergehen. Sie bieten auch Flexibilität bei der Missionsimplementierung. Das liegt daran, dass mehrere Systeme gleichzeitig mit dedizierten Starts oder als sekundäre Nutzlast größerer Missionen gestartet werden können. Wenn sich dies alles auf dem Mars auswirkt, ist es möglich, dass ähnliche Satellitensysteme auf anderen Welten im Sonnensystem eingesetzt werden könnten. Diese kommen jedoch mit großen Unbekannten.

„Es gibt mehrere Herausforderungen beim Einsatz dieses Navigationssystems auf anderen Planeten und Monden“, sagte Molli. „Die Umgebungsbedingungen sind ganz anders: Strahlungsfelder, eine andere thermische Umgebung usw. Daher muss die Hardware angepasst werden, um mit der Umgebung des Mondes fertig zu werden. Außerdem müssen die Kenntnisse über das Schwerefeld und den Rotationszustand dieser Körper nicht sein auf den erforderlichen Ebenen bekannt, um eine präzise Positionierung durchzuführen.“

Der erste Test eines solchen Systems wird auf dem Mars beginnen, während Raumfahrzeugteams Polarmissionen planen. Daher ist die Entwicklung kleiner Satellitenkonstellationen von entscheidender Bedeutung. Sie werden nicht nur bei der Erforschung des Mars helfen, sondern könnten schließlich den Weg für ähnliche Konstellationen auf Welten jenseits des roten Planeten ebnen.

Entsprechende Forschungsergebnisse wurden auch in veröffentlicht Das Planetary Science Journal.