PulseWay
Open-source simulátor pro autonomní rentgenovou pulsarovou navigaci (XNAV) v hlubokém vesmíru.
Vesmírná GPS pomocí mrtvých hvězd
Sítě jako pozemský Deep Space Network mají limity. PulseWay simuluje autonomní navigaci hlubokým vesmírem pomocí rentgenového záření z pulsarů, což umožňuje kosmickým lodím určit polohu s naprostou přesností nezávisle na Zemi.
X-Ray Signal Generator
Simulátor sběru fotonů. Algoritmy implementují Poissonovo rozdělení pro simulaci detekce přilétajících fotonů z katalogu pulsarů s realistickým šumem z vesmírného pozadí a občasnými solárními erupcemi.
Epoch Folding & Trilaterace
Modul zpracování signálu analyzuje časy příchodů signálů (Time-of-Arrival). Extrahovaná fázová data ze tří nebo více pulsarů jsou vstupem do 3D trilateračního algoritmu řešícího polohu lodi v meziplanetárním prostoru.
Relativistické Korekce
Pro přesnou navigaci nelze zanedbat fyziku. PulseWay matematicky aplikuje Rømerovo zpoždění, Shapirovo zpoždění z gravitačních studní (např. Slunce) a relativistickou dilataci času při vysokých rychlostech.
3D Kalmanův Filtr
I trilaterace generuje šum. 3D Kalmanův filtr porovnává nepřesná měření polohy z hvězdného šumu a iterativně upřesňuje skutečnou trajektorii. Obsahuje pojistky proti výpadku pulsarů z důvodu solárních katastrof.
Vesmírná GSP pomocí rentgenových pulsarů
V hlubokém vesmíru nelze spoléhat pouze na pozemní radary (Deep Space Network) kvůli zpoždění signálu (tzv. "light-time delay") a omezené propustnosti stanic. XNAV (X-ray Pulsar Navigation) je koncept navigace, kdy si kosmická loď určuje svou polohu pomocí signálů ze zmagnetizovaných rotujících neutronových hvězd (pulsarů).
PulseWay modeluje end-to-end simulaci. V souboru signal_generator.py detektor zachycuje rentgenové fotony, které dorazily na senzor. Fyzika zohledňuje, že tyto fotony musely překonat astronomické vzdálenosti. Pomocí techniky nazývané Epoch Folding se z časového šumu vykrajuje stabilní periodický signál (profil).
Aplikace teorie relativity a Kalmanova filtru
Měření je však narušeno chybami. V souboru relativity.py jsou aplikovány nezbytné korekce: dilatace času pro sondy cestující obrovskou rychlostí a Shapirovo zpoždění, kdy je signál z pulsaru zpomalen průletem zakřiveným prostoročasem gravitačního pole Slunce.
Následně trilaterační rovnice vypočítají hrubý 3D vektor pozice. V hlavním modulu je zapojen 3D Kalman Filter (kalman_filter.py), který porovnává inerciální předpoklady sondy s touto hrubou, zašuměnou 3D pozicí. Tím loď drasticky eliminuje chybovost určení své polohy. Systém navíc obsahuje procedury, kdy loď (pokud je například dočasně oslepena solární erupcí) přejde do letu "naslepo" s ohledem na poslední známou dobrou pozici z Kalmanova vektoru.
Technologická architektura
Instalace (Open-source)
Tento projekt je zcela open-source. Stáhněte a spusťte kód lokálně (vyžaduje Python 3.10+):
git clone https://github.com/daviddiaveli/PulseWay.git
cd PulseWay
pip install -r requirements.txt
python main.pyInformace o repozitáři
David Pěkník