借助火星周围的小型卫星网络，漫游者可以自主导航

当谈到火星的“地面”探索时，漫游者是非常好的先遣侦察员。 从 Pathfinder 到 Perseverance，我们见证了这些半自主机器人在未来做人类探险家想做的事情。 现在，工程师们正在研究扩大漫游者在火星上的探索的方法。 他们正在考虑的一件事是：用于火星表面导航的通信卫星星座。

当前一代的火星探测器着陆在容易到达的地方。 其他火星地区，如两极或水手谷，几乎没有受到影响。 这在一定程度上是因为它们难以到达，而且它们的天气条件带来了挑战。 两极为火星气候系统提供了很多线索。 虽然已知一个盖子主要是水冰，但两个盖子都可能包含（或隐藏）额外的水，这些水要么在地下湖中，要么在盖子下面冻结。 这是任何未来的火星探险者为了生存和其他行动都需要利用的商品。 所有这些原因使极地地区成为未来漫游者的主要目标。

今天，火星周围的轨道飞行器担负着地球与这颗红色星球之间通信的重任。 但未来的探索需要更灵活的通信系统，特别是如果我们要研究极地地区。 所以，想象一下这个场景：美国国家航空航天局或其他机构想要派遣一支漫游者舰队前往火星的极地冰盖。 距离使从地面到漫游者的一举一动的通信变得复杂。 许多分钟的轻旅行时间可能会导致很难在“实时”情况下导航。 解决方案是部署可以“看到”极地地区的卫星星座，帮助漫游者更准确地导航。

小卫星来救援

博士带领的工程师团队。 罗马第一大学机械与航空航天工程系的学生 Serena Molli 对火星上的小型卫星 (smallsat) 星座进行了概念研究。 他们的目标是设计一个几乎完全自主的，可以处理其节点在地球上的相对和绝对定位。 该星座应支持其他探测器的导航，例如进入、下降和着陆 (EDL) 阶段的物体，以及着陆器、流动站或轨道器。 节点将通过卫星间链路 (ISL) 相互通信，并与火星车和地面上的其他装置通信。

在 Acta Astronautica 即将发表的一篇论文中，Molli 和团队概述了两个这样的星座的模型。 他们专注于不需要从地球不断更新的系统。 每个使用五颗卫星相互通信和地面通信。 根据它们的轨道配置，它们可以几乎恒定地覆盖极地地区。

“我们在不需要人工智能编程的情况下通过这种自主导航系统实现了出色的性能，”Molli 解释道。 “机载软件依赖于专用的轨道确定理论和算法，适应于应对新型自主导航系统的挑战。然而，机载轨道确定软件可能会从更新中受益。系统允许这些。我们需要的是一个足够强大的机载计算机和与地球的定期联系，都是为了系统的健康检查，改进轨道确定，以及在必要时进行软件升级。”

导航火星

该团队提议的导航系统基于意大利航空航天工程集团 Argotec 目前正在设计的小型卫星。 他们正在研究一个名为 ANDROMEDA 的基于微型卫星的“月球互联网”系统。 Molli 团队提议的系统具有促进卫星节点之间通信所需的 ISL 技术。 这以前用于陆地和行星大地测量，最著名的是 GRACE 和 GRAIL 任务。

将其应用于火星需要大量关于该星球的数据才能使系统高效运行。 “在我们的工作中，我们利用了 MRO（火星勘测轨道飞行器）和 MGS（火星全球勘测者）等任务对火星引力场的先前了解，”Molli 说。 “这使得星座的航天器能够自主确定其位置或与地球有零星联系，这取决于轨道的高度，从而取决于重力梯度对航天器动力学的影响。”

其他世界的小卫星

该团队指出，这些小型卫星星座的开发和发射成本低，开发时间短。 它们还为任务执行提供了灵活性。 这是因为多个系统可以与专用发射同时发射，或者作为更大任务的次要有效载荷。 如果这一切都在火星上实现，那么类似的卫星系统可能会用于太阳系的其他世界。 然而，这些都有很大的未知数。

“在其他行星和卫星上部署这种导航系统存在一些挑战，”莫利说。 “环境条件大不相同：辐射场、不同的热环境等。因此，硬件必须适应月球环境。此外，可能无法了解这些天体的重力场和旋转状态。在执行精确定位所需的水平上已知。”

随着航天器团队计划极地任务，这种系统的首次测试将在火星开始。 因此，小卫星星座的发展至关重要。 它们不仅有助于探索火星，而且最终可能为在这颗红色星球以外的世界周围建立类似的星座铺平道路。

相关研究也发表在《行星科学杂志》上。