Des ingénieurs effectuent le premier test en orbite d’un système de navigation autonome par satellite « en essaim »

Un jour, au lieu de gros et coûteux satellites spatiaux individuels, des équipes de petits satellites – appelés par les scientifiques « essaims » – travailleront en collaboration, ce qui permettra une plus grande précision, une plus grande agilité et une plus grande autonomie. Parmi les scientifiques qui travaillent à la concrétisation de ces équipes figurent des chercheurs du Space Rendezvous Lab de l’université de Stanford, qui ont récemment réalisé le tout premier test en orbite d’un prototype de système capable de naviguer dans un essaim de satellites en utilisant uniquement des informations visuelles partagées via un réseau sans fil.

« Il s’agit d’un document historique et de l’aboutissement de 11 années d’efforts de la part de mon laboratoire, qui a été fondé dans le but de dépasser l’état actuel de l’art et de la pratique en matière d’autonomie distribuée dans l’espace », a déclaré Simone D’Amico, professeur associé d’aéronautique et d’astronautique et auteur principal de l’étude, publiée sur le site arXiv serveur de préimpression. « Starling est la première démonstration jamais faite d’un essaim de satellites autonomes. »

Ce test est connu sous le nom de Starling Formation-Flying Optical Experiment, ou StarFOX. Dans ce cadre, l’équipe a réussi à piloter quatre petits satellites fonctionnant en tandem en utilisant uniquement des informations visuelles recueillies par des caméras embarquées pour calculer leurs trajectoires (ou orbites). Les chercheurs ont présenté les résultats de leur premier test StarFOX lors d’un rassemblement d’experts en satellites en essaim à la Small Satellite Conference de Logan, dans l’Utah.

Tous les angles

D’Amico a décrit ce défi comme un défi qui motive son équipe depuis plus d’une décennie. « Notre équipe a plaidé en faveur des systèmes spatiaux distribués depuis la création du laboratoire. C’est désormais devenu une pratique courante. La NASA, le ministère de la Défense, la Force spatiale américaine, tous ont compris l’importance de la coordination de plusieurs ressources pour atteindre des objectifs qui seraient autrement impossibles ou très difficiles à atteindre par un seul engin spatial », a-t-il déclaré. « Les avantages comprennent une précision, une couverture, une flexibilité, une robustesse améliorées et de nouveaux objectifs potentiellement encore inimaginables. »

La navigation fiable de l’essaim représente un défi technologique considérable. Les systèmes actuels reposent sur le système mondial de navigation par satellite (GNSS), qui nécessite des contacts fréquents avec les systèmes terrestres. Au-delà de l’orbite terrestre, il existe le Deep Space Network, mais il est relativement lent et difficilement adaptable aux futures missions. De plus, aucun des deux systèmes ne peut aider les satellites à éviter ce que D’Amico appelle les « objets non coopératifs », comme les débris spatiaux qui pourraient mettre un satellite hors service.

L’essaim a besoin d’un système de navigation autonome qui lui permette un haut degré d’autonomie et de robustesse, a déclaré D’Amico. De tels systèmes sont également plus attrayants en raison des exigences techniques et des coûts financiers minimaux des caméras et autres matériels miniaturisés d’aujourd’hui. Les caméras utilisées dans le test StarFOX sont des caméras 2D éprouvées et relativement peu coûteuses appelées star-trackers que l’on trouve sur n’importe quel satellite actuel.

« À la base, la navigation par angles uniquement ne nécessite aucun matériel supplémentaire, même lorsqu’elle est utilisée sur des engins spatiaux petits et peu coûteux », a déclaré D’Amico. « Et l’échange d’informations visuelles entre les membres de l’essaim fournit une nouvelle capacité de navigation optique distribuée. »

Écrit dans les étoiles

StarFOX combine les mesures visuelles de caméras individuelles montées sur chaque satellite d’un essaim. Comme un marin d’autrefois naviguant en haute mer avec un sextant, le champ d’étoiles connues en arrière-plan est utilisé comme référence pour extraire les angles de relèvement des satellites en essaim. Ces angles sont ensuite traités à bord par des modèles de force précis basés sur la physique pour estimer la position et la vitesse des satellites par rapport à la planète en orbite ; dans ce cas, la Terre, mais la Lune, Mars ou d’autres objets planétaires fonctionneraient également.

StarFOX utilise le système de mesure de trajectoire absolue et relative du Space Rendezvous Lab (ARTMS, en abrégé) qui intègre trois nouveaux algorithmes de robotique spatiale. Un algorithme de traitement d’image détecte et suit plusieurs cibles dans les images et calcule les angles de cap de la cible, c’est-à-dire les angles auxquels les objets, y compris les débris spatiaux, se rapprochent ou s’éloignent les uns des autres. L’algorithme de détermination d’orbite par lots estime ensuite l’orbite approximative de chaque satellite à partir de ces angles. Enfin, l’algorithme de détermination d’orbite séquentielle affine les trajectoires des essaims grâce au traitement de nouvelles images au fil du temps pour potentiellement alimenter les algorithmes autonomes de guidage, de contrôle et d’évitement des collisions à bord.