NASA hat mit der Kleinsatellitenmission Starling einen Ansatz erprobt, bei dem die Umgebung im Orbit selbst zum Navigationssystem wird. Ein Raumfahrzeug bestimmte seine Bahn, indem es Satelliten und Trümmerteile mit Kameras erfasste, die Beobachtungen einem gespeicherten Katalog zuordnete und die identifizierten Objekte als bewegliche Referenzpunkte verwendete.

Darüber berichtete NASA Blogs am Montag, 17. August. Die Demonstration trägt den Namen FALCON, kurz für Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation, und verbindet die Starling-Plattform mit Era-Core, einer Software des aus der Stanford University hervorgegangenen Start-ups EraDrive.

Hinter dem Experiment steht ein praktisches Problem: GPS ist zwar für viele Satelliten in Erdnähe verfügbar, aber keine überall im Sonnensystem nutzbare Infrastruktur. In Mondnähe oder im tiefen Weltraum können die Signale zu schwach sein oder vollständig fehlen. Raumsonden müssen ihre Position dann mit Funkmessungen, großen Bodenstationen und Berechnungen auf der Erde bestimmen lassen.

Je mehr Missionen gleichzeitig unterwegs sind, desto schwieriger lässt sich dieses stark zentralisierte Verfahren skalieren. Antennenzeit ist begrenzt, Kommunikationsfenster müssen geplant werden, und große Entfernungen verursachen Verzögerungen. Autonome Navigation soll die Bodeninfrastruktur nicht abschaffen, aber Routineaufgaben an das Raumfahrzeug verlagern und ihm bei unterbrochener Verbindung mehr Handlungsfähigkeit geben.

FALCON griff dafür auf die Sternsensor-Kameras von Starling zurück. Solche Sensoren gehören zur Standardausrüstung vieler Satelliten: Sie nehmen helle Sterne auf, erkennen deren Muster und bestimmen daraus die räumliche Ausrichtung des Fahrzeugs. Im Experiment wurden die Bilder zusätzlich nach künstlichen Objekten durchsucht, sodass dasselbe Instrument sowohl der Lageregelung als auch der Navigation und Weltraumbeobachtung diente.

Das Team spielte einen vollständigen Katalog mit ungefähr 20.000 bekannten Objekten und den vorausberechneten Umlaufbahnen auf den Satelliten. Der öffentlich verfügbare Datensatz wird vom US-Kriegsministerium geführt. Era-Core verglich die Kamerabeobachtungen mit diesen Einträgen, suchte nach plausiblen Übereinstimmungen und berechnete aus bestätigten Treffern die Bahn von Starling.

Diese Aufgabe ist anspruchsvoller, als ein einzelnes Bild vermuten lässt. Sowohl der Beobachter als auch das Ziel bewegen sich mit hoher Geschwindigkeit, während ältere Bahndaten zunehmend ungenau werden können. Für eine belastbare Zuordnung muss das System Aufnahmezeit, Blickrichtung, Helligkeit und erwartete Bewegung zusammenführen und zugleich verhindern, dass ein ähnlich erscheinendes Objekt falsch identifiziert wird.

In einer zweiten Versuchsreihe nutzte FALCON die eigenen Beobachtungen, um die Katalogbahnen anderer Objekte zu verfeinern. Damit kehrte sich die Navigationsbeziehung um: Die Umgebung half Starling bei der Positionsbestimmung, und Starling lieferte anschließend genauere Angaben über diese Umgebung. Der Satellit wurde so zu einem mobilen Sensor für die Erfassung der Verkehrslage im All.

Innerhalb von drei Tagen verbesserte das System ohne Eingriffe durch Bodenpersonal die bekannten Bahnen von mehr als 200 Objekten. Nach Angaben der Mission waren die an Bord erzeugten Vorhersagen in den betreffenden Tests präziser als die ursprünglichen Katalogwerte von Bodenstationen. NASA bewertet zudem die optische Eigenbahnbestimmung relativ zu anderen katalogisierten Objekten als erstmalige Demonstration dieser Art.

Für die Kollisionsvermeidung ist die Aktualität solcher Daten entscheidend. Kleine Messfehler können sich in einer längerfristigen Prognose zu großen Unsicherheitsräumen ausweiten. Zusätzliche Beobachtungen kurz vor einer möglichen Annäherung helfen zu beurteilen, ob tatsächlich ein gefährlicher Vorbeiflug bevorsteht oder ob zwei Unsicherheitsbereiche lediglich rechnerisch überlappen.

Ein autonomer Katalog an Bord könnte Warnungen beschleunigen und unnötige Ausweichmanöver vermeiden. Jedes Manöver kostet Treibstoff, unterbricht unter Umständen wissenschaftliche Arbeit und kann neue Unsicherheiten in die Bahnprognose einführen. Langfristig könnten Satelliten Beobachtungen untereinander austauschen, Risiken gemeinsam bewerten und Handlungsvorschläge an Betreiber senden.

Bis zu einem solchen Betrieb sind jedoch technische und regulatorische Fragen offen. Optische Sensoren hängen von Beleuchtung und Beobachtungsgeometrie ab, und ein einzelner Satellit sieht immer nur einen Ausschnitt des Orbits. Zudem müsste festgelegt werden, wie autonome Daten geprüft, zwischen Betreibern ausgetauscht und bei widersprüchlichen Messungen gewichtet werden. Bei automatischen Ausweichentscheidungen stellt sich außerdem die Frage nach Verantwortung und verbindlichen Verkehrsregeln.

Besonders relevant ist FALCON für künftige Missionen am Mond. Dort könnten Navigationssatelliten, Kommunikationsrelais, Landefahrzeuge und wissenschaftliche Sonden ein lokales Netzwerk bilden. Wenn die Teilnehmer ihre relativen Positionen selbst bestimmen, wäre das System weniger von ständiger Unterstützung aus großer Entfernung abhängig und könnte Oberflächenoperationen von Robotern oder Astronauten zuverlässiger versorgen.

Auch verteilte Forschung profitiert von präzisen Bahndaten. Mehrere Kleinsatelliten können Magnetfelder, Plasma oder Strahlung gleichzeitig an unterschiedlichen Orten messen. Damit diese Einzelmessungen ein räumliches Gesamtbild ergeben, müssen Position und Zeitpunkt jedes Datenpunkts genau bekannt sein. Eine sich selbst vermessende Formation könnte diese Zuordnung verbessern und den Aufwand der Missionskontrolle senken.

Das Experiment zeigt zugleich einen Weg von akademischer Forschung in den kommerziellen Raumfahrtmarkt. Die Grundlagen entstanden in einem universitären SmallSat-Partnerschaftsprojekt, aus dem später EraDrive hervorging. Starling bot dem Unternehmen die Möglichkeit, Era-Core unter realen Bedingungen zu testen, während NASA von einer spezialisierten Software profitierte, ohne sämtliche Entwicklungsschritte intern durchführen zu müssen.

Noch in diesem Jahr soll die Demonstration auf den gesamten Starling-Verbund ausgeweitet werden. Die vier 2023 gestarteten Raumfahrzeuge sollen ihre Trackingdaten teilen und ihre Positionen gemeinsam verfeinern. Entscheidend ist dann nicht mehr nur, ob ein Satellit autonom navigiert, sondern ob ein Schwarm eine robuste, verteilte Navigationslösung aufrechterhalten kann.

Geleitet wird Starling vom Ames Research Center der NASA im kalifornischen Silicon Valley; Finanzierung und Management liegen beim Programm für kleine Raumfahrzeuge und verteilte Systeme. FALCON ist noch kein Ersatz für etablierte Navigations- oder Überwachungsnetze. Die Demonstration legt jedoch nahe, dass zukünftige Satelliten nicht ausschließlich von einer Leitstelle erfahren müssen, wo sie sind: Sie können ihre kosmische Nachbarschaft selbst lesen.