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

Lo spazio profondo è un luogo in cui le regole familiari della navigazione iniziano a sfumare. Per decenni, le navicelle spaziali che viaggiano vicino alla Terra si sono affidate a una vasta rete di antenne terrestri per dire loro dove si trovano e dove stanno andando. Queste antenne, sparse per il pianeta, ascoltano i segnali radio dalle navi e calcolano le loro posizioni con grande precisione. Tuttavia, mentre l'umanità punta ad espandere la propria presenza nello spazio tra la Terra e la Luna, questa dipendenza dalla Terra diventa un limite. Le distanze sono troppo grandi per una comunicazione in tempo reale e il volume immenso della regione rende impossibile per poche antenne a terra sorvegliare tutto contemporaneamente. Inoltre, l'attrazione gravitazionale della Terra, della Luna e del Sole crea un ambiente complesso e mutevole in cui il percorso di una nave non è mai una semplice linea retta o un cerchio perfetto. Per operare in modo sicuro ed efficace in questo spazio "cislunare", le navicelle spaziali dovranno diventare molto più indipendenti, capaci di trovare la propria strada senza l'aiuto costante da casa.

Una soluzione promettente è che le navicelle spaziali si aiutino a vicenda. Invece di aspettare un segnale dalla Terra, una nave osservatrice può tracciare una nave bersaglio misurando l'angolo e la direzione verso di essa, proprio come un marinaio che avvista un faro. Questo è chiamato tracciamento da veicolo spaziale a veicolo spaziale. La sfida risiede nella geometria della situazione. Se due navi sono troppo vicine tra loro, o se si muovono in un modo che appare troppo simile, l'osservatore non riesce facilmente a capire dove si trovi realmente il bersaglio. L'informazione ottenuta dalle misurazioni è confusa. Per risolvere questo problema, le navi devono muoversi in modo da creare l'immagine più chiara possibile delle loro posizioni relative. Ciò richiede un delicato equilibrio: le navi devono manovrare per ottenere la visuale migliore, ma ogni volta che una nave accende il motore per cambiare rotta, consuma carburante e introduce nuove incertezze sulla propria posizione esatta. La domanda per gli ingegneri è come muovere le navi per apprendere il massimo dell'ambiente circostante spendendo la minima quantità di carburante.

In uno studio recente, ricercatori dell'Università del Colorado Boulder e dell'Università del Texas ad Austin hanno sviluppato un nuovo metodo per risolvere questo problema. Hanno creato un algoritmo informatico che pianifica le traiettorie di volo di navicelle spaziali a bassa spinta — navi che utilizzano spinte gentili e continue dai loro motori piuttosto che brevi impulsi potenti. L'obiettivo del loro metodo è progettare una traiettoria che massimizzi l'informazione raccolta dall'osservatore, mantenendo al contempo un costo di carburante ragionevole. I ricercatori hanno trattato il problema come un compromesso. Hanno costruito un modello matematico che calcola quanta "informazione" genererebbe una specifica traiettoria di volo. Questa informazione non riguarda solo il vedere il bersaglio; riguarda la comprensione delle sottili differenze nel modo in cui le due navi reagiscono alle complesse forze gravitazionali del sistema Terra-Luna. Analizzando queste differenze, l'osservatore può determinare la posizione assoluta di entrambe le navi con molta più precisione rispetto a se si limitassero a procedere alla deriva.

Il team ha testato il loro metodo utilizzando una simulazione di due veicoli spaziali in orbita nel sistema Terra-Luna. Hanno collocato entrambe le navi in un tipo specifico di percorso chiamato Orbita Retrograda Distante, che è un loop stabile che orbita intorno alla Luna in direzione opposta alla sua rotazione. Nella loro simulazione, una nave fungeva da osservatore, dotata di un sensore ottico per osservare l'altra, che fungeva da bersaglio. I ricercatori hanno eseguito la simulazione molte volte, cambiando il peso dato all' "informazione" rispetto al "carburante". Quando hanno ordinato al computer di dare priorità fortemente all'informazione, la nave osservatrice ha fatto qualcosa di controintuitivo. Invece di rimanere vicina al bersaglio per avere una visuale migliore, si è allontanata. Questo è accaduto perché, nel complesso ambiente gravitazionale del sistema Terra-Luna, allontanarsi crea una maggiore differenza nel modo in cui le due navi vengono attratte dalla gravità. Questa differenza, o "diversità dinamica", aiuta l'osservatore a distinguere il vero percorso del bersaglio dal proprio, portando a un quadro molto più chiaro di dove si trovino entrambe le navi.

I risultati della simulazione sono stati sorprendenti. Quando i ricercatori hanno incluso questa pianificazione basata sull'informazione nella traiettoria di volo, l'errore atteso nel conoscere la posizione delle navi è diminuito di quasi un fattore dieci rispetto a un percorso che cercava solo di risparmiare carburante. In altre parole, le navi potevano conoscere la propria posizione con una precisione dieci volte maggiore. Questo miglioramento è stato più pronunciato quando la nave osservatrice partiva con una scarsa comprensione della propria posizione. In quei casi, l'algoritmo ha deciso correttamente di seguire un percorso che enfatizzasse le differenze di movimento tra le due navi, anche se ciò significava utilizzare più carburante. Tuttavia, se l'osservatore conosceva già la propria posizione con molta precisione, l'algoritmo cambiava strategia. Sceglieva quindi un percorso che avvicinava l'osservatore al bersaglio, massimizzando il dettaglio geometrico della visuale. Il metodo si è dimostrato abbastanza flessibile da adattarsi alle condizioni iniziali della missione.

I ricercatori hanno ottenuto questo risultato utilizzando una sofisticata tecnica di ottimizzazione che suddivide il flusso continuo del tempo in piccoli passi, permettendo al computer di risolvere il complesso problema pezzo per pezzo. Hanno inoltre sviluppato un modo per stimare il guadagno di informazione senza dover eseguire migliaia di simulazioni casuali, il che sarebbe stato troppo lento per la pianificazione in tempo reale. Invece, hanno utilizzato un'approssimazione matematica che cattura il comportamento essenziale del sistema. Ciò ha permesso loro di trovare il percorso migliore rapidamente, anche su un normale computer portatile. Lo studio conferma che per le future missioni nello spazio cislunare, come quelle pianificate per il Lunar Gateway, le navicelle spaziali dovranno essere partecipanti attivi alla propria navigazione. Non possono semplicemente procedere alla deriva; devono manovrare con uno scopo, usando i loro motori per affinare la loro visione dell'universo circostante.

Questo lavoro non pretende di aver risolto ogni problema della navigazione nello spazio profondo. Lo studio è stato condotto in una simulazione utilizzando un modello semplificato di gravità, e le missioni reali dovranno confrontarsi con la piena complessità del sistema solare, inclusi gli effetti della luce solare e la forma irregolare della Luna. I ricercatori riconoscono che il lavoro futuro dovrà incorporare questi fattori e testare il metodo con più navi e diversi tipi di sensori. Tuttavia, il nucleo della scoperta è robusto: trattando l'atto della navigazione come un modo per raccogliere informazioni, piuttosto che solo come un modo per andare dal punto A al punto B, le navicelle spaziali possono raggiungere un livello di autosufficienza precedentemente fuori portata. La capacità di scambiare una piccola quantità di carburante con un enorme guadagno nella consapevolezza situazionale potrebbe essere la chiave per sbloccare la prossima era dell'esplorazione lunare, permettendo alle navi di navigare nel vasto e silenzioso spazio tra i mondi con fiducia.