Experimento LONEStar: Uma Nova Fronteira na Navegação Óptica

A Lunar Flashlight (LF) foi uma missão da NASA que lançou em dezembro de 2022. O principal objetivo era mostrar uma nova tecnologia e procurar gelo d'água na Lua. Infelizmente, depois de um problema com a propulsão, não conseguiu chegar à Lua e foi mandada em um caminho ao redor do Sol. Mais tarde, a missão foi passada para o Georgia Tech, que estendeu o objetivo para mostrar tecnologias mais avançadas.

#O Experimento LONEStar

Uma parte da missão estendida do LF foi chamada de LONEStar. Esse experimento rolou de agosto a dezembro de 2023 e tinha como objetivo testar uma nova forma de navegar usando imagens do espaço. A equipe tirou várias fotos de diferentes corpos celestes, incluindo a Terra, a Lua e vários planetas. Eles processaram quase 400 imagens para testar esse novo método de navegação.

O LONEStar foi especialmente importante porque fez algo inovador-usou fotos de planetas para navegar no espaço. Eles conseguiram localizar sua posição apenas com a luz desses planetas. Duas conquistas notáveis foram observar dois planetas ao mesmo tempo para identificar sua localização instantaneamente e rastrear vários planetas sequencialmente para melhorar a precisão da navegação.

#Introdução à Lunar Flashlight

A Lunar Flashlight foi projetada como uma missão de satélite pequena desenvolvida para testar novas tecnologias. O foco era demonstrar várias tecnologias avançadas durante seu tempo perto da Lua. O satélite incluía muitos componentes inovadores-um microprocessador especial, um poderoso laser infravermelho e um sistema de propulsão.

Embora a missão tivesse como objetivos procurar gelo d'água na Lua, enfrentou um grande obstáculo devido à falha no sistema de propulsão. Em vez de chegar à Lua, passou pela Terra e entrou em uma órbita ao redor do Sol, onde ainda poderia realizar testes. Depois disso, o Georgia Tech assumiu a missão para investigar mais sobre Navegação Óptica, levando ao experimento LONEStar.

#A Importância da Navegação Óptica

A navegação óptica tem uma longa história na exploração espacial. Ela desempenhou um papel crítico em muitas missões bem-sucedidas para outros planetas. No entanto, poucas missões usaram esse método de forma eficaz enquanto estavam em órbita ao redor do Sol. O experimento LONEStar tinha como objetivo mudar isso testando suas técnicas em uma espaçonave que estava operando longe de outros planetas.

O desafio único era que, enquanto missões anteriores confiavam em diferentes objetos para navegação, o LONEStar tinha que navegar usando imagens de planetas distantes. Isso significava capturar imagens nos momentos certos, garantindo que fossem de boa qualidade para processamento.

#Comparando Diferentes Técnicas de Navegação

O LONEStar e outra missão, o Deep Space 1 (DS1), ambos navegaram usando observações à distância. No entanto, fizeram isso de maneiras diferentes. O DS1 coletou imagens e processou elas a bordo da espaçonave, mas o LONEStar contou com a análise humana de volta na Terra. Além disso, enquanto o DS1 focava em asteroides, o LONEStar mudou seu foco para planetas, marcando uma mudança importante na forma como as espaçonaves poderiam navegar.

O LONEStar é reconhecido como a primeira demonstração bem-sucedida de navegação usando apenas imagens de planetas no espaço distante. Isso foi alcançado usando métodos que haviam sido teorizados por muitos anos, mas que não tinham sido comprovados na prática.

#Configuração da Missão para a Lunar Flashlight

A missão LF foi organizada através de uma colaboração entre várias organizações. O Jet Propulsion Laboratory (JPL) liderou o projeto, gerenciando vários componentes-chave como o microprocessador e os sistemas de rádio. O sistema de propulsão foi projetado e construído pelo Georgia Tech e pelo Marshall Space Flight Center da NASA.

O LF foi lançado em 11 de dezembro de 2022, com planos de chegar à Lua. Infelizmente, vários desafios técnicos significaram que não conseguiu entrar na órbita pretendida da Lua. Depois de várias tentativas de resolver esses problemas, a missão foi declarada encerrada em maio de 2023 após completar com sucesso seus objetivos principais. A espaçonave então saiu do sistema Terra-Lua e entrou em uma órbita ao redor do Sol.

#Visão Geral da Instrumentação de Navegação Óptica

O processo de navegação óptica utiliza uma câmera conhecida como Blue Canyon Technologies XACT-50. Esse equipamento é vital para guiar e controlar a espaçonave LF. O rastreador de estrelas dentro desse dispositivo também funciona como uma câmera. A câmera captura imagens para ajudar a determinar a posição da espaçonave em relação a outros corpos celestes.

Essa câmera está montada em uma orientação específica e tem limites na quantidade de imagens que pode armazenar de uma vez. Ela só consegue manter cinco imagens antes de precisar transferi-las para o computador da espaçonave, criando um sistema onde cada conjunto de imagens é conhecido como um “Bloco de Imagem”.

#Aquisição e Processamento de Imagens

A campanha LONEStar ocorreu em várias etapas, começando pela obtenção de imagens de estrelas para calibração. Durante esse período, a Terra e a Lua frequentemente eram visíveis juntas na mesma imagem. A equipe utilizou condições favoráveis para capturar imagens de dois planetas ao mesmo tempo, trabalhando com várias configurações de exposição para garantir que as imagens estivessem claras.

Enquanto coletavam imagens, a equipe enfrentou desafios como a radiação solar afetando os sistemas da espaçonave, o que interrompeu brevemente suas operações. Porém, eles conseguiram se recuperar e continuar seu trabalho de imagens.

#Desafios de Imagem de Corpos Celestes Brilhantes

A equipe do LONEStar queria capturar imagens de planetas sem saturar a câmera, o que dificultaria a análise das fotos. Para resolver isso, usaram diferentes tempos de exposição para garantir que tanto os planetas quanto as estrelas de fundo estivessem visíveis.

Para obter os melhores resultados, a equipe frequentemente precisava usar uma combinação de imagens de curta exposição dos planetas com imagens de longa exposição das estrelas ao redor-todas essas tentativas tornaram possível criar uma solução de navegação confiável.

#Metodologias de Triangulação

A triangulação envolve medir ângulos e distâncias para determinar a posição da espaçonave no espaço. No LONEStar, eles usaram diferentes técnicas de triangulação para alcançar esse objetivo de forma eficaz. O Direct Linear Transform (DLT) foi um desses métodos, focando nos ângulos vistos. Eles também usaram um algoritmo de ponto médio para calcular posições com base em duas imagens sequenciais, que foi particularmente útil para capturar imagens de planetas que não estavam próximos o suficiente para serem vistos em uma única imagem.

Um avanço chamado Linear Optimal Sine Triangulation (LOST) também foi utilizado. Esse método permitiu medições mais precisas ao observar dois objetos ao mesmo tempo, otimizando os dados coletados das imagens.

#O Processo de Triangulação Dinâmica e Sequencial

Enquanto a triangulação simultânea foi bem-sucedida para capturar dois planetas em uma imagem, havia casos em que isso não era viável. Nesses eventos, a equipe poderia usar a triangulação sequencial, onde várias imagens eram tiradas em rápida sucessão. Isso permitiu que o LONEStar refinasse sua posição calculada com base em imagens planetárias próximas tiradas logo uma após a outra.

Ao permitir ocasionalmente mais tempo entre as imagens sequenciais, a equipe poderia realizar triangulação dinâmica, gerando uma boa estimativa da posição da espaçonave, mesmo que os objetos fossem vistos distantes.

#Navegação Óptica com a Terra e a Lua

Além dos planetas distantes, o LONEStar coletou dados sobre a Terra e a Lua usando métodos tradicionais de navegação óptica. Isso incluiu capturar imagens que mostravam a Terra e a Lua na mesma imagem.

Embora a imagem desses corpos apresentasse desafios, o LONEStar conseguiu obter dados úteis através de técnicas inteligentes como a navegação baseada no horizonte, que determinou com precisão a posição da espaçonave com base na forma da borda visível da Terra.

#Resultados e Descobertas

A combinação de navegar usando planetas distantes e a Terra e a Lua resultou em uma localização bem-sucedida para o LF. Eles conseguiram estimativas de posição que geralmente caíam dentro de erros aceitáveis, permitindo à equipe determinar a localização da espaçonave com precisão no espaço.

As descobertas do LONEStar mostram o potencial para missões futuras que se baseiam apenas em técnicas de navegação óptica, oferecendo uma maneira viável de determinar a posição de uma espaçonave na imensidão do espaço.

#O Futuro da Navegação Óptica

As conquistas do experimento LONEStar abrem caminho para o uso de navegação óptica em futuras missões espaciais. A capacidade de localizar uma espaçonave apenas com imagens de planetas mostra os avanços nessa área e encoraja mais exploração das técnicas de navegação celestial.

O trabalho da equipe reflete como a tecnologia pode evoluir para melhorar as capacidades das espaçonaves, tornando-as mais autônomas enquanto reduz a dependência dos métodos tradicionais de navegação. À medida que a exploração espacial continua a crescer, a navegação óptica promete ser uma forma mais confiável e eficiente de guiar futuras missões.