CAPSTONE: революционный кубсат NASA преодолел трудности и теперь тестирует автономную навигацию для будущих миссий на Луну и за её пределы
Запущенный NASA более двух лет назад эксперимент по эксплуатации и навигации в рамках проекта CAPSTONE (Cislunar Autonomous Positioning System Technology Operations and Navigation Experiment) сейчас находится в активной фазе. Кубсат размером с микроволновую печь и весом всего 25 килограммов, запущенный 28 июня 2022 года с помощью ракеты-носителя Rocket Lab Electron из Новой Зеландии, работает на гало-орбите (NRHO) вокруг Луны.
NRHO — это предполагаемая орбита космической станции NASA Gateway, которая будет служить форпостом для долгосрочного исследования человеком Луны. Она также позволит астронавтам получить доступ к южному полюсу Луны — приоритетной зоне программы Artemis.
Несмотря на технические проблемы, такие как неполадки двигателя, из-за чего зонд имел неконтролируемое вращение, и замораживание топлива, CAPSTONE теперь в стабильном состоянии и будет находиться в окололунном пространстве ещё несколько месяцев. Компания Advanced Space из Вестминстера (штат Колорадо), владеющая и эксплуатирующая CAPSTONE на протяжении всей миссии, работает с другими потенциальными клиентами в NASA и других правительственных агентствах, таких как Исследовательская лаборатория ВВС, чтобы предоставить возможности для тестирования их экспериментов.
Эти эксперименты в первую очередь сосредоточены на автономной точной навигации и синхронизации, а также других операциях в окололунной области, включая услуги ретрансляции связи и операции по маневрированию, сближению и стыковке космических аппаратов. Стоимость миссии составляет около $30 000 000, включая закупку услуг ракеты-носителя у Rocket Lab на сумму $10 000 000. Космический аппарат был создан Terran Orbital по коммерческому субподряду с Advanced Space.
CAPSTONE использует автономную систему позиционирования (CAPS) — систему для оценки абсолютного положения и скорости космических аппаратов в реальном времени. Кубсат оснащён предоставленными JPL бортовыми атомными часами для точного определения координат космического аппарата в пространстве и времени.
Advanced Space успешно продемонстрировала технологию автономной навигации CAPS, используя как двустороннюю связь с вращающимся вокруг Луны аппаратом Lunar Reconnaissance Orbiter NASA, так и одностороннюю связь с Deep Space Network JPL.
В дополнение к тестированию программного обеспечения навигационной системы CAPS, ведутся постоянные работы по оценке широкого набора возможностей программного обеспечения, включая подключение дополнительного компьютера на борту CAPSTONE. Этот компьютер позволяет наземным диспетчерам запускать программное обеспечение, не мешая работе самого космического аппарата.
Среди тестируемого программного обеспечения есть Neural Networks for Enhanced Planning, которое рассчитывает оптимальные манёвры для автономного удержания станции, а также программный пакет SigmaZero, который выявляет аномалии в движениях космического аппарата, определяет причину ошибки и классифицирует данные об аномалиях. Система динамики полёта оценивает способность обеспечивать быструю навигацию и планирование манёвров для миссий в дальнем космосе и окололунном пространстве.
Объединённые возможности этих трёх алгоритмов составят интегрированный пакет под названием Autopilot, который позволит обеспечить космический аппарат, «знанием» о своём местоположении, способный правильно маневрировать и планировать манёвры.
Команда NASA Gateway получает от Advanced Space краткие отчёты об операциях в NRHO. Среди ключевых выводов для малых космических аппаратов, работающих в глубоком космосе, — необходимость понимания системных требований задолго до предварительного рассмотрения проекта, учёт времени на получение соответствующих разрешений регулирующих органов и решение вопросов планетарной защиты и орбитального мусора.