NASA Starling 利用星敏感器与 2 万目标目录实现卫星自主导航

NASA Starling 任务在航天器自主化方面取得新进展。该机构表示，FALCON 载荷不依赖导航网络，而是参照太空中的其他物体确定卫星在轨位置。FALCON 全称为 Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation，即快速自主失锁空间目录光学导航。

此次演示是 Starling 任务的延伸。Starling 是 2023 年发射的四航天器编队。FALCON 由 NASA 与 EraDrive 联合开展飞行实验，后者是从斯坦福大学分拆出来的初创公司。根据 NASA 对此次任务的描述，FALCON 将 EraDrive 的 Era-Core 飞行软件和嵌入式算法，与 Starling 的相机以及星上已知卫星目录配合使用。所用硬件并不特殊。

FALCON 使用的是 Starling 星上的星敏感器相机。这类标准仪器通过识别太空中的亮目标来判断航天器的姿态和位置。在定位、导航与授时实验中，该载荷将相机观测到的物体（包括其他航天器和轨道碎片）与美国战争部维护并公开的已知空间物体目录进行匹配。这些经过确认的物体随后成为确定 Starling 自身轨道的参照点。

在另一组实验中，团队将约 2 万个空间物体及其预测轨道的完整目录装入航天器。FALCON 将这些数据与航天器的观测结果关联，估算出 Starling 及其他物体的位置，精度高于现有目录数据。NASA 表示，在为期三天的时间里，FALCON 在没有地面操作人员介入的情况下改进了 200 多个物体的已知轨道。

“FALCON 是 Starling 演示任务的又一次成功。FALCON 的结果可能对在轨空间交通监测、碰撞规避和替代导航产生深远影响，”NASA 位于加州硅谷的艾姆斯研究中心小航天器与分布式系统项目经理 Roger Hunter 说。“Starling 创造的‘首次’还在不断增加。”

为什么无 GPS 导航重要

传统卫星导航依赖 GPS 信号，而在月球或深空环境中这些信号可能不可靠或无法获得。这一缺口正是 NASA 测试光学替代方案的原因。据该机构称，由多颗无 GPS 卫星组成的协同网络，对于支持未来载人探月或探火的地面作业至关重要。对科学任务来说，要知道每颗航天器的精确位置，才能把从太空多个点取得的测量结果对齐。对空间交通管理来说，自主导航和目录更新可以减少对地面网络的依赖，并增强碰撞规避能力。

NASA 称，这是航天器首次利用光学相机，通过与其他空间物体的相对位置来导航。此外，目录更新实验在 Starling 星上得出的物体位置预测优于地面站提供的结果。这项实验也展示了一个大学项目如何变成一家公司。它最初是 University SmallSat Technology Partnerships 项目，后来发展为 EraDrive，如今正把 Era-Core 软件及相关硬件商业化，用于更广泛的应用。Starling 提供了真实环境测试的平台。

更多测试还在计划中。今年晚些时候，Starling 将使用 Era-Core 扩展 FALCON 实验，让四航天器编队共享跟踪数据并共同修正各自的位置。NASA 艾姆斯研究中心牵头 Starling 任务，该机构设在艾姆斯、隶属研究和技术任务理事会的小航天器与分布式系统项目负责资助和管理。