Une équipe de chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign a trouvé un moyen pour les voyageurs à travers le système solaire de déterminer exactement où ils se trouvent, sans avoir besoin de l’aide d’observateurs au sol sur Terre. Ils ont affiné la technique de navigation des pulsars, qui utilise les signaux de rayons X des pulsars distants, d’une manière similaire à la façon dont le GPS utilise les signaux d’une constellation de satellites spécialisés, pour calculer une position exacte.
Naviguer dans l’espace
Avant de pouvoir suivre un parcours dans l’espace, vous devez connaître votre emplacement et votre orientation. Les engins spatiaux actuels ne peuvent découvrir qu’une seule de ces choses indépendamment. Il peut trouver son orientation, ou la direction dans laquelle pointe le vaisseau spatial, assez facilement. Les caméras embarquées peuvent rechercher des étoiles brillantes ou le Soleil et les utiliser comme référence.
Mais la position est un problème beaucoup plus difficile à résoudre. Sur Terre, ou même en orbite terrestre basse (LEO), vous pouvez mesurer la distance aux points de référence proches, puis vous référer à une carte. Mais cela ne fonctionne pas dans l’espace lointain où les points de repère sont trop éloignés pour être mesurés. Au lieu de cela, des réseaux de stations de suivi sur Terre surveillent les signaux radio des engins spatiaux. Ils calculent sa distance en mesurant le délai et le combinent avec la direction d’où le signal est arrivé pour calculer avec précision sa position dans l’espace. La station au sol peut ensuite transmettre ces informations au contrôle de mission ou à l’engin spatial lui-même.
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Le problème
“Nous pouvons utiliser des suiveurs d’étoiles pour déterminer la direction du vaisseau spatial, mais pour connaître l’emplacement précis du vaisseau spatial, nous nous appuyons sur des signaux radio envoyés entre le vaisseau spatial et la Terre, ce qui peut prendre beaucoup de temps et nécessite l’utilisation d’une infrastructure sursouscrite. , comme le Deep Space Network de la NASA », a déclaré Zach Putnam, professeur au Département de génie aérospatial de l’Illinois.
Ce système standard éprouvé fonctionne, mais implique un compromis. À mesure que le nombre de missions spatiales actives augmente, l’accès aux infrastructures de communication devient de plus en plus contesté. Et à mesure que nous enverrons des engins spatiaux plus loin dans l’espace, les temps d’aller-retour des signaux deviendront plus longs. Cela signifie que les mesures de navigation prendront de plus en plus de temps. Les futures missions spatiales, avec ou sans équipage, devront éventuellement pouvoir naviguer par elles-mêmes, sans guidage de la Terre. Heureusement, la navigation basée sur les pulsars à rayons X (XNAV), qui fonctionne sur des principes similaires au GPS, pourrait être la réponse.
Navigation pulsar
Les pulsars sont des étoiles à neutrons en rotation rapide ; les derniers restes d’étoiles mortes dans une explosion de supernova. Avec leurs rotations rapides et leurs champs magnétiques puissants, ils génèrent de puissants faisceaux de rayonnement, balayant le ciel. Les pulsars individuels tournent à différentes vitesses, allant de plusieurs fois par seconde à des centaines de tours par seconde. Chaque pulsar a une signature unique, ce qui les rend identifiables même avec un récepteur radio très simple.
Putnam et son équipe ont trouvé un moyen de détecter et de traiter plus efficacement les signaux des pulsars. Cela permet à un vaisseau spatial d’utiliser une petite antenne et un simple récepteur pour détecter les émissions de rayons X de plusieurs pulsars. Étant donné que ces signaux sont si cohérents et prévisibles, le récepteur peut calculer exactement quand une impulsion donnée arrivera à n’importe quel endroit donné du système solaire. Au fur et à mesure que chaque impulsion se déplace dans l’espace, elle forme un “front d’onde” – une région incurvée de l’espace marquant tous les endroits où cette impulsion particulière vient d’arriver.
Ce front d’onde est similaire à une onde se déplaçant à la surface d’un étang. Si vous avez deux ondes voyageant dans le même étang, cependant, vous obtenez des nœuds visibles. Ces nœuds marquent les endroits où les différents fronts d’onde se croisent. Les régions de l’espace où les impulsions de rayons X de deux pulsars interagissent forment un modèle similaire de nœuds. Plus vous ajoutez de pulsars supplémentaires, plus ces nœuds deviennent rares, jusqu’à ce que vous puissiez localiser avec précision votre emplacement dans le système solaire à moins de cinq kilomètres près.
La solution
Le travail effectué par Putnam et son équipe s’est concentré sur les algorithmes informatiques nécessaires pour prédire comment les fronts d’onde des pulsars connus interagiront à un endroit donné. Leur objectif est de trouver le moyen le plus efficace d’effectuer ces calculs, avec le moins de puissance de calcul.
“Nous avons utilisé l’algorithme pour étudier les pulsars que nous devrions observer pour réduire le nombre d’emplacements d’engins spatiaux candidats dans un domaine donné”, a déclaré Putnam.
D’après leurs travaux, les meilleurs résultats sont obtenus en utilisant des signaux de pulsars avec une faible séparation angulaire – des pulsars qui semblent être proches les uns des autres dans le ciel – et qui pulsent plus lentement. Ils ont également confirmé que l’ajout de plus de pulsars améliore la précision. C’est plus facile que d’essayer d’améliorer la qualité du signal, de sorte que les futurs engins spatiaux pourront utiliser XNAV avec un équipement de réception radio moins cher et plus simple.
Attribution
Vous pouvez en savoir plus dans leur étude, « Caractérisation des solutions candidates pour la navigation par pulsar à rayons X ». Cet article a été publié dans IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems.