Navigation im Weltraum

Raumschiffe werden meistens vom Boden aus gesteuert, wobei Bodenstationen alle Abstands- und Geschwindigkeitsdaten erfassen und verarbeiten, um die Umlaufbahn des Raumfahrzeugs zu bestimmen. Die bodengestützte Navigation ist zwar sehr genau, aber auch teuer und erfordert eine ständige Verbindung. Außerdem dauert es eine gewisse Zeit, um die Informationen an das Raumfahrzeug zu übermitteln. Aus diesem Grund eignet sie sich nicht für die Erforschung des entfernten Weltraums, wenn zum Beispiel bei der Landung sofortige Maßnahmen benötigt werden.

Für Raumfahrtmissionen, die Roboterfahrzeuge an ihr Ziel und möglicherweise Proben zur Erde zurückbringen sollen, ist auch das Gewicht, das in den Orbit geschickt werden soll, von entscheidender Bedeutung. Das EU-geförderte Projekt SINPLEX ("Small integrated navigator for planetary exploration") suchte nach einem Weg, das Gewicht des Navigationssubsystems deutlich zu reduzieren.

Die Forscher entwickelten ein leichtes autonomes Navigationssystem. Dieses "All-in-One"-Navigationssystem besteht aus einem Sternsensor, einem Laser-Höhenmesser, einer Videokamera, einem Trägheitsmesssystem und einem Bordcomputer. Durch die Miniaturisierung der Sensor-Hardware und die Verschmelzung von Daten innerhalb eines Kalman-Filters konnte die Masse bei Beibehaltung einer hohen Leistung reduziert werden.

Mittels 3D-Druck in Kombination mit Feinguss wurde ein sehr kompaktes Aluminiumgehäuse für die Sensoren entwickelt. Zu den Vorteilen dieser Kombination gehören enorme Masseneinsparungen und eine hohe Funktionsintegration der Sensoren-Hardware. Das Flugmodell wiegt weniger als 6 kg und wurde entwickelt, um die Anforderungen bei der Landung auf einem Asteroiden oder einem Mond oder bei der Aufnahme eines Probenbehälters im Orbit zu erfüllen.

Ein Funktionsmodell des SINPLEX-Systems wurde umfangreichen Tests unterzogen, um die einzelnen Sensorreaktionen sowie deren Auswirkungen auf die Gesamtleistung des Systems zu ermitteln. An der Hardware wurden "In-the-Loop"-Tests durchgeführt, um ihre Navigationsleistung bei repräsentativen Raumflugbahnen zu beurteilen und ihre Eignung für die autonome Navigation zu demonstrieren.

Die Testergebnisse zeigten, dass das SINPLEX-System das Potenzial für ein leistungsfähiges Navigationssystem besitzt und signifikante Gewichtseinsparungen im Vergleich zu einer Reihe von kommerziell verfügbaren Komponenten mit ähnlichen Leistungen verspricht. Eine Reihe von notwendigen Verbesserungen für eine höhere Systemleistung sind bereits im Gange, um zuverlässig den Weg in den Himmel weisen zu können.