Information-Based Trajectory Planning for Spacecraft-to-Spacecraft Tracking and Navigation in Cislunar Space

يعد الفضاء العميق مكاناً تبدأ فيه قواعد الملاحة المألوفة في التلاشي. فلعقود من الزمن، اعتمدت المركبات الفضائية التي تسافر بالقرب من الأرض على شبكة واسعة من الهوائيات الأرضية لتخبرها بموقعها وإلى أين تتجه. هذه الهوائيات، المنتشرة عبر الكوكب، تستمع إلى الإشارات اللاسلكية من السفن وتحسب مواقعها بدقة كبيرة. ومع ذلك، بينما تتطلع البشرية إلى توسيع وجودها في المنطقة الواقعة بين الأرض والقمر، يصبح هذا الاعتماد على الأرض عبئاً. فالمسافات كبيرة جداً للتواصل في الوقت الفعلي، والحجم الهائل لهذه المنطقة يجعل من المستحيل لعدد قليل من الهوائيات على الأرض مراقبة كل شيء في وقت واحد. علاوة على ذلك، فإن قوة جذب الأرض والقمر والشمس تخلق بيئة معقدة ومتغيرة حيث لا يكون مسار السفينة أبداً خطاً مستقيماً بسيطاً أو دائرة مثالية. ولكي تعمل السفن الفضائية بأمان وفعالية في هذا الفضاء "بين الأرض والقمر" (cislunar)، ستحتاج إلى أن تصبح أكثر استقلالية، وقادرة على إيجاد طريقها الخاص دون مساعدة مستمرة من الوطن.

أحد الحلول الواعدة هو أن تساعد السفبات الفضائية بعضها البعض. فبدلاً من انتظار إشارة من الأرض، يمكن لسفينة مراقبة أن تتبع سفينة مستهدفة عن طريق قياس الزاوية والاتجاه إليها، تماماً مثل بحار يلمح منارة. يُسمى هذا "التتبع من مركبة فضائية إلى أخرى". ويكمن التحدي في هندسة الموقف؛ فإذا كانت سفينتان قريبتان جداً من بعضهما البعض، أو إذا تحركتا بطريقة تبدو متشابهة للغاية، فلن تتمكن السفينة المراقبة من معرفة موقع الهدف الحقيقي بسهما. وتصبح المعلومات المكتسبة من القياسات ضبابية. ولحل هذه المشكلة، يجب على السفن أن تتحرك بطريقة تخلق أوضح صورة ممكنة لمواقعهما النسبية. وهذا يتطلب توازناً دقيقاً: يجب على السفن المناورة للحصول على أفضل رؤية، ولكن في كل مرة تشغل فيها السفينة محركها لتغيير مسارها، فإنها تستهلك الوقود وتدخل شكوكاً جديدة حول موقعها الدقيق. والسؤال الذي يواجه المهندسين هو كيفية تحريك السفن لمعرفة أكبر قدر ممكن عن محيطها مع استهلاك أقل قدر من الوقود.

في دراسة حديثة، طور باحثون من جامعة كولورادو بولدر وجامعة تكساس في أوستن طريقة جديدة لحل هذه المشكلة. فقد أنشأوا خوارزمية حاسوبية تخطط مسارات الطيران للمركبات الفضائية ذات الدفع المنخفض — وهي السفن التي تستخدم دفعات لطيفة ومستمرة من محركاتها بدلاً من النبضات القوية والقصيرة. والهدف من طريقتهم هو تصميم مسار طيران يعظم المعلومات التي تجمعها السفينة المراقبة عن السفينة المستهدفة، مع الحفاظ على تكلفة وقود معقولة. وقد عامل الباحثون هذه المشكلة كعملية مقايضة؛ حيث بنوا نموذجاً رياضياً يحسب مقدار "المعلومات" التي قد يولدها مسار طيران معين. وهذه المعلومات لا تتعلق فقط برؤية الهدف، بل بفهم الاختلافات الدقيقة في كيفية استجابة كل من السفينتين لقوى الجاذبية المعقدة لنظام الأرض والقمر. ومن خلال تحليل هذه الاختلافات، يمكن للسفينة المراقبة تحديد الموقع المطلق لكلا السفينتين بدقة أكبر بكثير مما لو كانتا تنجرفان فحسب.

اختبر الفريق طريقتهم باستخدام محاكاة لمركبتين فضائيتين تدوران في نظام الأرض والقمر. وضعوا كلتا السفينتين في نوع محدد من المسارات يسمى "المدار الرجعي البعيد" (Distant Retrograde Orbit)، وهو عبارة عن حلقة مستقرة تدور حول القمر في الاتجاه المعاكس لدورانه. وفي المحاكاة، قامت إحدى السفينتين بدور المراقب، وهي مجهزة بمستشعر بصري لمراقبة السفينة الأخرى التي لعبت دور الهدف. أجرى الباحثون المحاكاة مرات عديدة، مع تغيير الوزن الذي أعطوه لـ "المعلومات" مقابل "الوقود". وعندما أخبروا الحاسوب بأن يعطي الأولوية للمعلومات بشكل كبير، قامت السفينة المراقبة بفعل غير متوقع؛ فبدلاً من البقاء قريبة من الهدف للحصول على رؤية أفضل، تحركت بعيداً عنه. حدث هذا لأنه في البيئة الجاذبية المعقدة لنظام الأرض والقمر، يؤدي الابتعاد عن بعضهما البعض إلى خلق اختلاف أكبر في كيفية سحب الجاذبية لكل منهما. وهذا الاختلاف، أو "التنوع الديناميكي"، يساعد المراقب على تمييز المسار الحقيقي للهدف عن مساره الخاص، مما يؤدي إلى صورة أوضح بكثير لمكان وجود كلتا السفينتين.

كانت نتائج المحاكاة مذهلة. فعندما أدرج الباحثون هذا التخطيط القائم على المعلومات في مسار الطيران، انخفض الخطأ المتوقع في معرفة موقع السفن بمقدار عشرة أضعاف تقريباً مقارنة بالمسار الذي يحاول فقط توفير الوقود. بعبارة أخرى، استطاعت السفن معرفة موقعها بدقة أكبر بعشر مرات. وكان هذا التحسن أكثر وضوحاً عندما بدأت السفينة المراقبة بفهم ضعيف لموقعها الخاص. في تلك الحالات، قررت الخوارزمية بشكل صحيح اتباع مسار يركز على الاختلافات في الحركة بين السفينتين، حتى لو تطلب ذلك استخدام المزيد من الوقود. ومع ذلك، إذا كانت السفينة المراقبة تعرف موقعها بدقة شديدة بالفعل، فإن الخوارزمية تغير استراتيجيتها، حيث تختار مساراً يقربها من الهدف، مما يعظم التفاصيل الهندسية للرؤية. لقد أثبتت الطريقة مرونة كافية للتكيف مع الظروف الأولية للمهمة.

حقق الباحثون ذلك باستخدام تقنية تحسين متطورة تقسم التدفق المستمر للوقت إلى خطوات صغيرة، مما يسمح للحاسوب بحل المشكلة المعقدة جزءاً بجزء. كما طوروا طريقة لتقدير كسب المعلومات دون الحاجة إلى تشغيل آلاف عمليات المحاكاة العشوائية، والتي ستكون بطيئة جداً للتخطيط في الوقت الفلي. بدلاً من ذلك، استخدموا تقريباً رياضياً يلتقط السلوك الأساسي للنظام. سمح لهم هذا بإيجاد المسار الأفضل بسرعة، حتى على جهاز كمبيوتر محمول عادي. وتؤكد الدراسة أنه بالنسبة للمهمات المستقبلية في الفضاء بين الأرض والقمر، مثل تلك المخطط لها لمحطة "بوابة القمر" (Lunar Gateway)، ستحتاج المركبات الفضائية إلى أن تكون مشاركة نشطة في ملاحتها الخاصة. لا يمكنها مجرد الانجراف؛ بل يجب أن تتحرك بهدف، مستخدمة محركاتها لشحذ رؤيتها للكون من حولها.

لا يدعي هذا العمل أنه قد حل كل مشكلات الملاحة في الفضاء العميق. فقد أجريت الدراسة باستخدام محاكاة تعتمد على نموذج مبسط للجاذبية، وستتعامل المهمات الحقيقية مع التعقيد الكامل للمجموعة الشمسية، بما في ذلك تأثيرات ضوء الشمس والشكل غير المنتظم للقمر. ويقر الباحثون بأن العمل المستقبلي سيتعين عليه دمج هذه العوامل واختبار الطريقة مع سفن متعددة وأنواع مختلفة من المستشعرات. ومع ذلك، فإن النتيجة الجوهرية قوية: من خلال التعامل مع عملية الملاحة كوسيلة لجمع المعلومات، وليس فقط كوسيلة للانتقال من النقطة (أ) إلى النقطة (ب)، يمكن للمركبات الفضائية تحقيق مستوى من الاعتماد على الذات كان بعيد المنال سابقاً. إن القدرة على المقايضة بين كمية صغيرة من الوقود ومكسب هائل في الوعي بالموقف قد تكون المفتاح لفتح الحقبة التالية من استكشاف القمر، مما يسم يسمح للسفن بالملاحة في الفضاء الشاسع والصامت بين العوالم بثقة.