Спутники больше не потеряются? Ученые создали алгоритм для слежения за аппаратами в цислунном пространстве

По мере того как человечество расширяет космическую инфраструктуру за пределы околоземной орбиты, перед инженерами возникает новая задача: как надежно отслеживать спутники в пространстве между Землей и Луной. Исследователи из Университета Пердью (Purdue University) в штате Индиана предложили решение, способное сделать такую навигацию заметно точнее и дешевле с точки зрения вычислений. Результаты исследования опубликованы в журнале IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems.

Космический хаос между Землей и Луной оказался сложнее, чем кажется

Речь идет о так называемом цислунном пространстве (cislunar space или cislunar region) — области, которая простирается за орбиту Луны и охватывает более 480 тыс. километров. Несмотря на относительно небольшое количество объектов по сравнению с низкой околоземной орбитой, следить за ними крайне сложно.

Причин несколько: значительные расстояния, плохая видимость из-за бликов и контраста, а также сложное гравитационное взаимодействие Земли, Луны и Солнца. В такой среде даже небольшие отклонения способны со временем превращаться в серьезные ошибки прогнозирования.

Инженер Кит Легран (Keith LeGrand) из Школы аэронавтики и астронавтики Университета Пердью занимается разработкой методов космической ситуационной осведомленности. Его команда исследует, как меняется неопределенность в определении положения космических объектов и как можно заранее понять, что спутник изменил траекторию.

Алгоритм HOTDOGS: максимум точности без лишней нагрузки

Для описания неопределенности ученые используют математический метод под названием Gaussian Mixture Approximation («Смешанная модель Гаусса» в русскоязычной литературе). В отличие от традиционных гауссовых моделей, плохо работающих в нелинейных системах, метод GMA позволяет учитывать хаотическое поведение объектов в космосе.

Исследователи сравнивают ситуацию в космосе с семенами одуванчика, которые разлетаются по ветру. Сначала их положение известно достаточно точно, но со временем предсказать местонахождение становится все сложнее. Аналогичная ситуация возникает со спутниками в цислунном пространстве.

Разработанный алгоритм HOTDOGS (Higher-Order Tensor-Based Deferral of Gaussian Splitting, дословно «Отсрочка гауссовского расщепления на основе тензора более высокого порядка») не дробит вычисления заранее. Вместо этого он отслеживает, как растет неопределенность, и подключает дополнительные вычислительные ресурсы только тогда, когда это действительно необходимо. Такой подход позволяет сохранять высокую точность прогнозов, не перегружая бортовые компьютеры спутников.

Это особенно важно для небольших аппаратов, вычислительные возможности которых зачастую сопоставимы со старыми игровыми приставками. Новая система помогает направлять ресурсы только на наиболее критичные расчеты.

В перспективе разработка может повысить безопасность навигации в космосе, улучшить мониторинг объектов между Землей и Луной и помочь в принятии решений при управлении космическими миссиями.

Интересный факт

По данным NASA и международных космических агентств, именно цислунное пространство рассматривается как одна из ключевых зон для будущих лунных миссий, орбитальных станций и транспортных узлов. Поэтому технологии отслеживания объектов в этом регионе становятся все более востребованными.

О ближайших планах NASA в ближнем и дальнем космосе мы рассказали здесь.