Заблудились в космосе? Поможет StarNAV: навигация по звёздам совсем не пережиток прошлого

Когда мы говорим о скорости, мы обычно имеем в виду скорость относительно чего-то другого. Например, мы можем сказать, что автомобиль едет со скоростью 100 км/ч по отношению к земле. Но что, если мы хотим измерить скорость космического аппарата, который движется в глубоком космосе, где нет никаких фиксированных точек отсчета? Как мы можем сказать, насколько быстро он движется, и в каком направлении?

Это вопрос, который интересует многих ученых и инженеров, которые занимаются разработкой и управлением космическими миссиями. Определение скорости космического аппарата важно не только для того, чтобы знать, где он находится и куда он направляется, но и для того, чтобы корректировать его траекторию, если это необходимо, и для того, чтобы синхронизировать его связь с Землей. Существует несколько способов измерения скорости космического аппарата, но большинство из них имеют свои ограничения и недостатки.

Один из наиболее распространенных способов — это использование радиосигналов, которые передаются между космическим аппаратом и земной станцией. По изменению частоты этих сигналов, вызванному эффектом Доплера, можно определить скорость космического аппарата по линии зрения. Однако этот метод требует постоянной связи с Землей, что может быть затруднительно в случае помех, задержек или потери сигнала. Кроме того, этот метод не дает информации о скорости космического аппарата в поперечном направлении, то есть перпендикулярно линии зрения.

Другой способ — это использование инерциальных измерительных устройств (ИИУ), которые состоят из акселерометров и гироскопов, способных измерять ускорение и угловую скорость космического аппарата. По этим данным можно вычислить скорость космического аппарата, интегрируя их по времени. Однако этот метод также имеет свои недостатки. Во-первых, ИИУ подвержены погрешностям и дрейфу, которые накапливаются со временем и приводят к увеличению ошибки в определении скорости. Во-вторых, ИИУ не могут учитывать внешние силы, которые могут воздействовать на космический аппарат, такие как гравитация, солнечный ветер или атмосферное трение.

Есть еще один способ, который кажется более естественным и простым — это использование звезд как ориентиров для навигации в космосе. Этот метод основан на том, что звезды являются очень далекими и практически неподвижными объектами, по сравнению с которыми можно определить скорость космического аппарата. Однако, как оказалось, это не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Проблема в том, что звезды не выглядят одинаково для разных наблюдателей, движущихся с разной скоростью. Это явление называется звездной аберрацией и было впервые обнаружено в 1727 году английским астрономом Джеймсом Брэдли. Звездная аберрация заключается в том, что направление, в котором видна звезда, зависит от скорости наблюдателя. Чем выше скорость наблюдателя, тем больше угол, на который смещается звезда от своего истинного положения. Это объясняется тем, что свет от звезды распространяется не мгновенно, а с конечной скоростью, и за это время наблюдатель перемещается на некоторое расстояние. Поэтому, чтобы увидеть звезду, наблюдатель должен направить свой взгляд не в том направлении, где находится звезда в данный момент, а в том направлении, откуда приходит свет от звезды.

Звездная аберрация может быть использована для определения скорости космического аппарата, если измерить угол между двумя звездами, которые видны в его поле зрения. Этот угол называется межзвездным (inter-star angle) и зависит от скорости космического аппарата. Чем выше скорость космического аппарата, тем больше угол между звездами. Если известно истинное положение звезд на небесной сфере, то по разнице между ним и измеренным межзвездным углом можно вычислить скорость космического аппарата. Это и есть основная идея метода навигации по звездам, который называется StarNAV.

Однако этот метод тоже имеет свои сложности и тонкости. Во-первых, для того, чтобы точно измерить угол между звездами, нужен очень чувствительный и точный телескоп, который может различать звезды, расположенные очень близко друг к другу. Во-вторых, для того, чтобы получить скорость космического аппарата в трехмерном пространстве, нужно измерить не один, а несколько углов между разными парами звезд, что требует нескольких телескопов и сложной системы синхронизации их положения. В-третьих, для того, чтобы правильно интерпретировать данные, полученные от телескопов, нужно учитывать ряд факторов, таких как дисторсия изображения, шумы, атмосферные эффекты и т. д.

Все эти проблемы делают метод StarNAV довольно сложным и дорогим в реализации. Однако некоторые исследователи предложили новый подход к этому методу, который позволяет упростить и удешевить его. Этот подход основан на использовании нескольких телескопов с широким полем зрения (FOV), которые могут наблюдать за несколькими парами звезд одновременно, и на применении сложных математических алгоритмов для обработки полученной информации.

Исследователи из Ренсселерского политехнического института, Северной Каролины и Джорджии получили грант от NASA Institute for Advanced Concepts для разработки этого подхода, который они также назвали StarNAV. Они опубликовали статью в журнале Acta Astronautica, в которой описали свои результаты и перспективы.

Суть их подхода заключается в том, что они используют три телескопа, размещенных с известным углом относительно друг от друга, каждый из которых имеет широкое поле зрения, в котором видны несколько звезд. Каждый телескоп измеряет межзвездные углы в своем поле зрения. Затем эти углы сравниваются с истинными межзвездными углами, которые известны из каталогов звезд. По разнице между этими углами можно вычислить среднюю звездную аберрацию, которая характеризует скорость космического аппарата.

Преимущество этого подхода в том, что он не требует очень высокой точности измерения, так как он использует несколько измерений и усредняет их. Таким образом, он позволяет использовать более простые и дешевые телескопы с широким полем зрения, которые могут наблюдать за большим количеством звезд. Кроме того, этот подход не требует сложной системы синхронизации и выравнивания телескопов, так как они расположены с фиксированным углом относительно друг друга.

Для проверки своего подхода исследователи провели ряд экспериментов с использованием компьютерного моделирования и метода Монте-Карло, который позволяет смоделировать случайные величины и процессы. Они показали, что их подход дает достаточно точные результаты при различных условиях и сравним с существующими методами с узким полем зрения. Они также продемонстрировали, что их система может быть умещена в небольшой корпус CubeSat, который имеет размеры около 10 см x 30 см x 10 см. Это означает, что их система может быть легко интегрирована в любую космическую миссию, которая использует стандартные модули CubeSat.

Пока что исследователи не построили полный прототип своей системы и не испытали ее в реальных условиях космоса. Однако они надеются, что их работа привлечет внимание потенциальных заказчиков и спонсоров, которые заинтересуются в развитии и коммерциализации их технологии. Они также отмечают, что их технология может иметь применение не только в космосе, но и на Земле, как альтернатива GPS, которая может быть полезна в случаях, когда GPS недоступен или подвержен помехам.

Метод StarNAV представляет собой интересный и перспективный способ навигации по звездам, который может улучшить и упростить определение скорости космических аппаратов. Этот метод основан на фундаментальном явлении звездной аберрации, которое было открыто более двухсот лет назад, но до сих пор не нашло широкого применения в космической навигации. Благодаря новому подходу исследователей из США, этот метод может стать более доступным и эффективным, и открыть новые возможности для исследования глубокого космоса.