La NASA a démontré une nouvelle approche de la navigation autonome des engins spatiaux permettant de déterminer l’orbite d’un satellite sans dépendre du GPS ni d’un soutien continu des réseaux de suivi au sol.
La technologie, connue sous le nom de FALCON, pour Fast Autonomous Lost-in-space Catalog-based Optical Navigation, a été testée à bord de la mission Starling de la NASA en orbite terrestre basse. Au lieu de recevoir des signaux de positionnement provenant d’une constellation de navigation, FALCON utilise des observations optiques d’autres objets déjà en mouvement dans l’espace.
Cette expérimentation marque une évolution importante dans la manière dont les engins spatiaux pourraient naviguer sur des orbites de plus en plus encombrées et, à terme, dans des environnements où les signaux des systèmes mondiaux de navigation par satellite terrestres ne sont pas disponibles.
La mission Starling de la NASA comprend quatre CubeSats 6U lancés le 17 juillet 2023. Les engins ont été initialement développés pour démontrer les manœuvres autonomes en essaim, les communications en réseau, la navigation relative et la prise de décision distribuée.
Navigation FALCON sans GPS
FALCON transforme des objets qui seraient normalement considérés comme de simples éléments de l’environnement orbital en références de navigation.
L’engin utilise ses caméras de suivi stellaire embarquées pour détecter des satellites, des corps de fusées et d’autres objets spatiaux résidents traversant son champ de vision. Le logiciel compare ensuite ces observations à un catalogue embarqué contenant des informations orbitales sur environ 20 000 objets connus.
Lorsqu’un objet observé est associé à une entrée du catalogue, sa position prévue fournit une référence géométrique qui aide l’engin à estimer sa propre orbite.
Le principe est en partie comparable à la navigation céleste, mais au lieu de s’appuyer principalement sur les étoiles, FALCON exploite la population importante et croissante d’objets suivis en orbite autour de la Terre.
Le concept sous-jacent a été développé au Space Rendezvous Laboratory de l’Université Stanford, tandis que son développement commercial implique EraDrive, une startup issue de Stanford. Les travaux décrivent FALCON comme une architecture passive de positionnement optique et de connaissance de la situation spatiale dans laquelle les objets spatiaux résidents connus deviennent en pratique des balises de navigation orbitale.
Les viseurs d’étoiles deviennent des capteurs de navigation
Un aspect particulièrement important de cette démonstration est que FALCON ne nécessite pas forcément une toute nouvelle catégorie de matériel de navigation.
Les viseurs d’étoiles sont déjà des instruments courants à bord des engins spatiaux. Leur fonction traditionnelle consiste à déterminer l’attitude de l’engin, c’est-à-dire son orientation, en comparant les étoiles observées à un catalogue céleste connu.
FALCON étend l’utilité de ce matériel optique en extrayant des informations sur les objets transitoires apparaissant dans le champ de vision des caméras.
Cela constitue une proposition d’ingénierie intéressante : des capteurs déjà nécessaires à l’orientation de l’engin pourraient également contribuer à la navigation absolue et à la connaissance de l’environnement spatial.
Pour les petits satellites, où la masse, la consommation électrique et le volume disponible pour la charge utile sont fortement limités, tirer plusieurs fonctions d’un même ensemble de capteurs peut être particulièrement avantageux.
La NASA avait déjà démontré la navigation optique avec Starling dans le cadre du Starling Formation-Flying Optical Experiment, ou StarFOX. Le rapport 2026 Small Spacecraft Technology State of the Art de la NASA indique que StarFOX a démontré une navigation relative fondée uniquement sur des mesures angulaires, avec une connaissance de position équivalente à environ 0,5 % de la distance, établissant ainsi une base technologique importante pour de futures expériences de navigation optique.
Plus de 200 orbites améliorées en trois jours
L’utilité de FALCON va au-delà de la simple détermination de la position de l’engin réalisant les observations.
Au cours d’une expérimentation de trois jours, le système a traité des observations et amélioré les estimations orbitales de plus de 200 objets spatiaux sans intervention d’opérateurs au sol.
Cela rend la technologie potentiellement pertinente pour deux problématiques étroitement liées : la navigation spatiale et la gestion du trafic spatial.
Un satellite observant les objets qui l’entourent peut les utiliser pour estimer sa propre orbite tout en générant simultanément de nouvelles informations sur ces mêmes objets.
Cette capacité devient de plus en plus précieuse à mesure que l’orbite terrestre basse se densifie. Un nombre croissant de satellites et de débris augmente les risques de collision, mais dans l’architecture FALCON, ces objets fournissent également davantage de références optiques potentielles pour la navigation et le suivi.
Suivi autonome du trafic spatial
Cette capacité à double usage pourrait finalement être plus importante que l’idée simplifiée de simplement « remplacer le GPS ».
Un engin autonome capable d’observer en permanence le trafic orbital proche pourrait maintenir une image beaucoup plus actualisée de son environnement local sans attendre que chaque mise à jour de suivi soit transmise depuis la Terre.
Cela pourrait permettre des évaluations plus rapides des risques de conjonction et, lorsqu’il est associé à des systèmes autonomes de planification de manœuvres, permettre à terme aux engins spatiaux de réagir aux menaces de collision avec beaucoup moins d’intervention depuis le sol.
Starling a déjà servi de plateforme d’essai pour ce concept plus large. Au cours d’une phase prolongée de la mission, la NASA a travaillé avec SpaceX pour démontrer une coordination automatisée du trafic spatial entre les quatre CubeSats Starling et la constellation Starlink.
FALCON s’inscrit donc dans une stratégie plus large de la NASA dans laquelle la navigation, les communications, la détection et la planification des manœuvres sont progressivement transférées des opérations centralisées au sol vers les engins spatiaux eux-mêmes.
Navigation au-delà de la Terre
La technologie répond également à une limitation fondamentale de la navigation satellitaire conventionnelle.
Le GPS et les autres constellations GNSS ont été conçus principalement pour desservir des utilisateurs situés près de la surface terrestre et en orbite autour de la Terre. Les engins voyageant beaucoup plus loin ne peuvent pas supposer qu’ils disposeront toujours de signaux de navigation suffisamment puissants et présentant une géométrie exploitable.
Les futures missions autour de la Lune, de Mars et d’autres destinations auront donc besoin de méthodes alternatives de détermination autonome de la position.
La navigation optique constitue l’une des solutions possibles.
Un futur engin spatial pourrait combiner des observations d’étoiles, de planètes, de lunes et d’objets artificiels avec des capteurs inertiels et d’autres techniques de navigation afin de maintenir une estimation de sa position même lorsque la couverture GNSS conventionnelle est faible ou inexistante.
FALCON reste une technologie expérimentale, et naviguer parmi des objets en orbite terrestre basse est très différent de la navigation dans l’espace lointain. Mais démontrer une navigation autonome basée sur un catalogue à bord d’un engin opérationnel constitue une étape importante vers cet objectif plus large.
Navigation de l’essaim Starling
La NASA prévoit d’aller plus loin en permettant aux quatre engins Starling d’échanger leurs observations de suivi et d’estimer leurs positions de manière coopérative.
L’architecture évoluerait ainsi d’un engin individuel observant son environnement vers un réseau distribué de capteurs.
Plusieurs points d’observation peuvent améliorer la géométrie orbitale, augmenter le nombre d’objets disponibles pour l’observation et potentiellement réduire l’incertitude par rapport à un système reposant sur un seul engin.
C’est précisément le type de problématique que Starling a été conçu pour explorer.
Les quatre CubeSats de la mission évoluent en orbite terrestre basse et ont été conçus pour démontrer quatre capacités principales : la planification et l’exécution de manœuvres en essaim, les communications en réseau, la navigation relative et la coordination autonome. Il s’agit de CubeSats 6U évoluant sur une orbite héliosynchrone située à plus de 300 miles au-dessus de la Terre.
Pourquoi FALCON est important
L’aspect le plus intéressant de FALCON n’est pas que la NASA ait trouvé un substitut direct au GPS.
Ce n’est pas le cas.
Le GPS reste extrêmement efficace lorsque ses signaux et sa géométrie sont disponibles. Le remplacer par des observations réalisées avec des caméras, l’identification d’objets et l’estimation orbitale embarquée aurait peu de sens pour de nombreuses missions conventionnelles.
La véritable avancée réside dans la résilience de la navigation.
FALCON offre aux engins spatiaux une autre source indépendante d’informations de positionnement. Plus important encore, cette source repose en grande partie sur l’environnement orbital entourant l’engin plutôt que sur une infrastructure de navigation dédiée.
Un mécanisme technologique inhabituel est également à l’œuvre. Le nombre croissant d’objets en orbite crée un sérieux problème de gestion du trafic spatial, mais ces mêmes objets peuvent devenir des références de navigation et des sources de données de suivi.
Cela pourrait rendre des systèmes comme FALCON de plus en plus utiles à mesure que l’activité orbitale augmente.
L’enjeu à long terme dépasse donc largement la simple navigation indépendante du GPS. Un engin capable d’observer son environnement, de déterminer sa propre orbite, de mettre à jour les trajectoires d’objets voisins et d’échanger ces informations avec d’autres engins commence à ressembler à un participant autonome à la gestion du trafic spatial plutôt qu’à un véhicule attendant des instructions depuis la Terre.
Pour les grandes constellations de satellites et les futurs essaims évoluant dans l’espace lointain, cette différence pourrait être fondamentale.
À propos de la NASA et de Starling
La National Aeronautics and Space Administration, ou NASA, est l’agence spatiale civile des États-Unis, créée en 1958.
Starling est gérée dans le cadre du programme Small Spacecraft & Distributed Systems de la Space Technology Mission Directorate, avec l’Ames Research Center de la NASA à la tête du projet.
La mission utilise quatre CubeSats 6U fabriqués par Blue Canyon Technologies. L’essaim a été lancé à bord d’une fusée Electron de Rocket Lab depuis le Launch Complex 1 en Nouvelle-Zélande le 17 juillet 2023.
Starling a été initialement conçu comme une démonstration technologique destinée aux essaims autonomes d’engins spatiaux. Son programme expérimental a notamment porté sur la planification autonome des manœuvres, les communications maillées, la prise de décision distribuée et la navigation optique relative.
Après environ 10 mois en orbite, la NASA a indiqué que l’essaim avait atteint avec succès les principaux objectifs de sa mission initiale. Starling a ensuite poursuivi ses opérations en tant que plateforme pour de nouvelles expériences consacrées à l’autonomie des engins spatiaux.
Source : www.nasa.gov
