Một ngày nào đó, thay vì các vệ tinh không gian cỡ lớn riêng lẻ và tốn kém, các nhóm vệ tinh nhỏ hơn được các nhà khoa học gọi là “bầy đàn” sẽ kết hợp với nhau, cho phép tăng độ chính xác, sự cơ động và tính tự chủ. Trong số các nhà khoa học đang nỗ lực biến ý tưởng này thành hiện thực có các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Space Rendezvous của Đại học Stanford. Họ gần đây đã hoàn thành thử nghiệm đầu tiên trên quỹ đạo đối với một hệ thống nguyên mẫu có khả năng điều hướng nhóm vệ tinh chỉ bằng thông tin hình ảnh được chia sẻ qua mạng không dây.

Cuộc thử nghiệm được gọi là Thí nghiệm quang học bay theo đội hình Starling, hay StarFOX. Trong đó, nhóm nghiên cứu đã điều hướng thành công 4 vệ tinh nhỏ hoạt động cùng lúc chỉ bằng thông tin hình ảnh thu thập được từ các camera trên vệ tinh để tính toán quỹ đạo của chúng.

Những lợi thế của phương pháp này bao gồm độ chính xác, phạm vi phủ sóng, tính linh hoạt, độ bền được cải thiện và có khả năng đạt được các mục tiêu mới chưa từng hình dung ra trước đó.

Việc điều hướng mạnh mẽ của bầy đàn đặt ra một thách thức công nghệ đáng kể. Các hệ thống hiện tại dựa vào Hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu (GNSS) đòi hỏi phải liên lạc thường xuyên với các hệ thống trên mặt đất. Ngoài quỹ đạo Trái đất còn có Mạng lưới không gian sâu, nhưng nó tương đối chậm và không dễ mở rộng quy mô trong tương lai. Hơn nữa, không có hệ thống nào có thể giúp vệ tinh tránh được những vật thể như mảnh vỡ không gian.

Bầy đàn cần một hệ thống dẫn đường độc lập cho phép có mức độ tự chủ và độ bền cao. Những hệ thống như vậy cũng trở nên hấp dẫn hơn nhờ các yêu cầu tối thiểu về kỹ thuật, chi phí tài chính của các máy ảnh thu nhỏ và phần cứng khác hiện nay. Các máy ảnh được sử dụng trong thử nghiệm StarFOX là máy ảnh 2D có chi phí thấp được trang bị trên bất kỳ vệ tinh nào hiện nay. Việc trao đổi thông tin hình ảnh giữa các thành viên bầy đàn cung cấp khả năng điều hướng quang học phân tán mới.

StarFOX kết hợp các phép đo trực quan từ những camera đơn được gắn trên mỗi vệ tinh trong một bầy. Tương tự như một thủy thủ thời xưa điều hướng trên biển cả với một ống đo góc, trường các ngôi sao đã biết ở phía sau được sử dụng làm tham chiếu để trích xuất góc phương vị đến các vệ tinh bầy đàn. Các góc này sau đó được xử lý trên vệ tinh thông qua các mô hình vật lý chính xác để ước tính vị trí và vận tốc của các vệ tinh so với hành tinh quay quanh - trong trường hợp này là Trái Đất, nhưng mặt trăng, sao Hỏa hoặc các vật thể hành tinh khác cũng có thể hoạt động tốt.

StarFOX sử dụng Hệ thống Đo quỹ đạo tuyệt đối và tương đối chỉ theo góc của Phòng thí nghiệm Space Rendezvous (viết tắt là ARTMS) tích hợp ba thuật toán rô-bốt không gian mới. Một thuật toán Xử lý hình ảnh phát hiện và theo dõi nhiều mục tiêu trong hình ảnh và tính toán các góc chứa mục tiêu, là các góc mà các vật thể, bao gồm cả mảnh vỡ không gian, đang di chuyển về phía hoặc ra xa nhau. Sau đó, thuật toán Xác định quỹ đạo theo ước tính quỹ đạo thô của từng vệ tinh từ các góc này. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng, thuật toán Xác định quỹ đạo tuần tự tinh chỉnh các quỹ đạo bầy đàn bằng cách xử lý các hình ảnh mới theo thời gian để có khả năng cung cấp các thuật toán dẫn đường, điều khiển và tránh va chạm tự động trên vệ tinh.

Dữ liệu được chia sẻ qua liên kết truyền thông giữa các vệ tinh (hoặc mạng không dây). Tất cả được sử dụng để tính toán vị trí, vận tốc tuyệt đối và tương đối mạnh mẽ với độ chính xác đáng kể mà không cần GNSS. Trong những điều kiện khó khăn nhất, chỉ sử dụng một vệ tinh quan sát duy nhất, StarFOX đã có thể tính toán vị trí tương đối (vị trí của từng vệ tinh với nhau) trong phạm vi sai số 0,5% khoảng cách của chúng. Khi nhiều vệ tinh quan sát được thêm vào, tỷ lệ sai số đó giảm xuống chỉ còn 0,1%.

Cuộc thử nghiệm Starling được đánh giá là đủ hứa hẹn để NASA mở rộng dự án (hiện được gọi là StarFOX+) đến năm 2025 để khám phá thêm những khả năng cải tiến này và mở đường cho các công nghệ nhận biết tình huống và định vị trong không gian trong tương lai. Chi tiết tham khảo tại:

Justin Kruger, Soon S. Hwang, Simone D'Amico. Starling Formation-Flying Optical Experiment: Initial Operations and Flight Results. Submitted to arXiv, 2024 DOI: 10.48550/arXiv.2406.06748