Un ‘GPS cósmico’ para futuras misiones espaciales: un estudio demuestra la viabilidad de la navegación espacial con púlsares de rayos X

Actualmente, la mayoría de las misiones espaciales dependen de sistemas de guiado y seguimiento desde la Tierra, lo cual implica operaciones con intervención humana y limitaciones asociadas al retraso en las comunicaciones. Los sistemas de navegación autónoma buscan reducir esta dependencia, especialmente en misiones interplanetarias o en el espacio profundo, en las que tecnologías como el GPS dejan de ser efectivas. Un estudio liderado por investigadores del Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC) en el Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC) y el Politécnico de Milán publicado en la revista Acta Astronautica constata la viabilidad de la navegación de naves espaciales basada en púlsares de rayos X (XNAV, por sus siglas en inglés) en el espacio profundo.

Los púlsares, estrellas de neutrones que giran rápidamente y con un intenso campo magnético, emiten señales periódicas y estables a modo de ‘faros cósmicos’, por lo que constituyen una fuente natural idónea para la navegación espacial.

Para evaluar la viabilidad y el rendimiento de la navegación autónoma de naves espaciales mediante púlsares de rayos X, es decir, sin intervención desde la Tierra, el estudio presenta un enfoque sistemático y realista para la selección de púlsares, teniendo en cuenta su brillo, su estabilidad temporal, su configuración geométrica y sus limitaciones de visibilidad. Además, el equipo utiliza datos de observación de la misión NICER de la NASA, un telescopio de rayos X lanzado en 2017 que estudia estrellas de neutrones, agujeros negros y otros fenómenos desde su base a bordo de la Estación Espacial Internacional, para evaluar mediante simulación el rendimiento de un sistema XNAV autónomo.

«A diferencia de muchos estudios previos, hemos utilizado datos reales de observación para evaluar el rendimiento del sistema, lo que nos permite estimar de forma mucho más realista las capacidades de la navegación autónoma basada en púlsares», afirma Sui Chen, investigadora predoctoral del Politécnico de Milán que realizó una estancia en el ICE-CSIC para desarrollar este trabajo, y que actualmente trabaja en la Universidad de Liverpool.

Este trabajo no se basa únicamente en modelos analíticos de ruido, sino que utiliza datos reales para estimar la incertidumbre de las mediciones. El estudio demuestra que la navegación autónoma de misiones espaciales sin apoyo terrestre es factible, en particular para misiones en el espacio profundo más allá de nuestras órbitas terrestres, donde no se dispone de sistemas tradicionales de posicionamiento como el GPS. 

«El desafío no consiste simplemente en identificar los púlsares más brillantes, sino en determinar la combinación óptima de fuentes capaz de proporcionar un rendimiento de navegación preciso, exacto y estable a lo largo de toda la misión», afirma Emilie Parent, anteriormente investigadora postdoctoral del ICE-CSIC y del IEEC, que actualmente trabaja en el Instituto de Ciencias Planetarias y Astrofísica de Grenoble.

El sistema de navegación XNAV se ha puesto a prueba utilizando un filtro de Kalman extendido —un algoritmo para estimar el estado de la nave espacial combinando un modelo dinámico con mediciones externas en condiciones de incertidumbre— en dos supuestos distintos. El primero, en órbita terrestre baja; el segundo, en un viaje de la Tierra a Júpiter. Además, el equipo ha utilizado los datos de la misión NICER para construir perfiles de pulsos de púlsares realistas y para estimar las incertidumbres de medición basándose en simulaciones construidas sobre datos reales, extrapolando a varios tipos de futuros detectores de rayos X.

Los resultados muestran que los púlsares que emiten grandes cantidades de energía, como el púlsar del Cangrejo (PSR B0531+21) situado en la nebulosa del Cangrejo, pueden alcanzar una alta precisión (por debajo de 7 km en órbita terrestre baja), pero presentan una baja estabilidad a largo plazo. Por su parte, los púlsares de milisegundos (con periodos de rotación de entre 1 y 10 milisegundos) ofrecen una mayor fiabilidad a largo plazo a costa de una menor precisión de navegación. 

Este trabajo presenta un estudio sistemático del rendimiento de la navegación, que evalúa la precisión de posicionamiento alcanzable en diferentes rangos de área efectiva de los instrumentos. Esto proporciona un estudio realista para comenzar a desarrollar dispositivos XNAV que se utilizarán en pequeños satélites.

«Hemos querido dar un paso importante hacia sistemas de navegación capaces de operar de manera autónoma en el espacio profundo por mucho tiempo, donde la dependencia de infraestructuras terrestres sea cada vez más limitada», afirma Nanda Rea, investigadora del IEEC en el ICE-CSIC y coautora del estudio. 

Este trabajo, que se ha desarrollado por completo en el ICE-CSIC, ha sido cofinanciado por una subvención Proof of Concept (PoC) del Consejo Europeo de Investigación (ERC) otorgada al proyecto DeepSpacePULSE, liderado por la astrofísica Nanda Rea. Este proyecto tiene como objetivo estudiar la viabilidad de la navegación autónoma utilizando rayos X emitidos por púlsares haciendo que estos dispositivos de posicionamiento satelital sean competitivos tanto en el mercado espacial público como privado. 

Este artículo contribuye al desarrollo de tecnologías de navegación autónoma para la exploración espacial, reduciendo la dependencia de los sistemas terrestres. A largo plazo, puede hacer posible misiones más eficientes en el espacio profundo, tanto para la exploración planetaria, como para viajes interplanetarios.

En el futuro, los estudios en este campo se centrarán en mejorar los modelos de sincronización de púlsares, combinar múltiples púlsares para una mayor solidez e integrar los sistemas XNAV con otros sistemas de navegación. Asimismo, se construirá en los laboratorios del ICE-CSIC un primer modelo de ingeniería del dispositivo con todos sus componentes. «Esto abre el camino hacia la navegación totalmente autónoma de naves espaciales para misiones en el espacio profundo, donde ningún otro sistema de navegación puede ser eficaz a largo plazo», concluye Rea. 

Autor Principal en el IEEC

Nanda Rea

Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)
Instituto de Ciencias del Espacio (ICE-CSIC)
Correo electrónico: rea@ieec.cat, rea@ice.csic.es