摘要
作者：University of Michigan – John D. Monnier & 研究團隊，全文連結在此。
在過去幾年裡，我們的團隊在密西根大學使用無人機進行了一系列測試，以探索如何將無人機用作立方衛星（CubeSat）和天文學研究的試驗平台。這些無人機不僅提供了高機動性和高度精確的控制，還有助於我們在地面上模擬太空中的編隊飛行和光學干涉測量技術。這篇文章將帶你了解我們如何利用無人機突破地面設施的限制，並開創全新的天文學實驗。
為何選擇無人機來測試 CubeSat 立方衛星技術？
立方衛星作為小型、模組化的衛星，已經被廣泛應用於太空研究中，但測試這些技術的難度和成本卻非常高。在實驗室中，我們難以模擬立方衛星在太空中的動態環境，尤其是它們在飛行中如何保持精確的距離和角度。這就是為何無人機成為了我們的理想工具，它們能夠進行多維度的運動、精確的定位，並具備高效的即時控制能力——這些都是實現立方衛星編隊飛行所需的核心特性。
無人機的另一個優勢在於成本相對低廉，這使得我們可以進行更廣泛的測試來驗證系統的可行性，並探索天文學的新可能性。傳統的地面設備如大型望遠鏡，雖然也能進行類似的干涉測量，但它們受限於固定的地理位置，且無法模擬多維動態環境。而無人機可以在實驗室外部的更大範圍內飛行，模擬立方衛星在太空中的實際運作環境，讓我們可以進行端到端的系統測試。
初步成果：多無人機編隊飛行的挑戰與解決方案
我們首先挑選了兩款無人機——Aurelia X6 Pro 和 Freefly Alta X，分別進行了一系列的測試，包括飛行穩定性、振動控制和高精度 GPS 定位。要讓這些無人機精確保持相對位置並進行協同飛行，我們採用了差分GPS（RTK-GPS）技術，使定位精度達到公釐級。在測試過程中，我們發現，使用 RTK-GPS 的 Freefly Alta X 在穩定性和精度上表現非常出色，這讓我們有信心在未來使用它進行更高難度的測試。
此外，我們還面臨著振動控制的挑戰。無人機的螺旋槳高速旋轉會產生高頻振動，這對於精密的天文學觀測是一個難以忽視的問題。為此，我們嘗試了多種減震措施，包括橡膠彈簧和減震材料，以期達到穩定的圖像和精確的光學測量效果。隨著技術的進步，我們預計未來可以實現更好的振動抑制，讓無人機在光學干涉測量中的應用更進一步。
干涉測量：用無人機進行超長基線觀測
干涉測量是天文學中一項核心技術，允許科學家通過不同望遠鏡收集的光波干涉來提高解析力。傳統地面干涉儀受限於固定的基線距離（目前最長約為 330 公尺），而無人機能突破這一限制，實現更長的觀測基線。我們的目標是通過無人機實現 500 公尺甚至更長的基線，以捕捉更小、更複雜的天體特徵，如恆星表面結構和緊密雙星系統的相對運動。
要實現這一目標，我們對無人機進行了振動控制測試，並設計了可精確定位的穩定平台。在早期測試中，Freefly Alta X 在飛行穩定性和振動抑制方面的表現優異，得益於其高精度的 RTK-GPS 定位系統和先進的減震設計。然而，對於更高精度的干涉測量，我們仍需進一步改進無人機的振動抑制技術，例如使用橡膠彈簧、Sorbothane 材料、甚至是空氣軸承等減震設備。
多無人機協同飛行與光學對準
要實現干涉測量，不僅需要穩定的無人機平臺，更需要多無人機精確的協同飛行。我們開發了一套LED燈塔和視覺跟踪系統，讓無人機之間保持公釐級的精確距離和方向。通過在每架無人機上安裝不同顏色的 LED 燈，我們能夠利用機載攝像頭進行視覺跟踪，判斷相對位置並實時調整無人機的位置和角度，以確保光束的完美對準。
更進一步，我們在控制系統中結合了差分 GPS 數據和光學跟踪，實現了無人機在飛行過程中的精確控制。這項技術有助於在更長的基線距離上保持精確的光束重疊，為實現高解析度的天文觀測奠定了基礎。
技術挑戰與未來解決方案
無人機的應用雖然前景廣闊，但也面臨著一些技術挑戰。例如，高速旋轉的螺旋槳會產生強烈的高頻振動，這對干涉測量構成了很大的干擾。為此，我們測試了多種減震方案，但要在更高精度的應用中實現穩定觀測，我們可能還需引入軍用級的減震設備。對於更長時間的干涉測量，我們正在考慮加入更先進的主動控制元件，例如壓電致動器和電磁減震器，來實時補償微小的振動。
此外，無人機的定位精度和持續飛行時間也是挑戰之一。目前，我們使用的重載無人機可以在滿載下飛行 30 分鐘，這對於某些天文觀測任務可能不夠。未來我們可能會嘗試增強無人機的能源管理，甚至考慮將無人機與地面供電系統連接，來延長飛行時間。
展望無人機在天文學的廣泛應用
除了測試立方衛星的技術，我們也發現無人機在天文學的其他領域中同樣具備應用潛力。例如，無人機可以用於大氣探測，幫助天文學家即時測量大氣層的湍流狀況，以優化觀測條件。無人機還可以用於地面設施的校準，如協助射電望遠鏡進行精確的對位，這些應用都開闢了天文學的新可能性。
無人機的應用範疇甚至還可以延伸至量子通訊。它們可以作為量子網絡的一部分，為超安全的通訊系統提供支持。這些量子技術與天文學中的干涉測量技術共享許多挑戰，因此無人機在這方面的技術突破，將有助於推動整個領域的發展。
量子通訊需要精確的光學對準和穩定的平台，而這與干涉測量技術有很多共同點。無人機在未來的量子網絡中可以承擔分佈式量子糾纏、分散式運算和超安全通訊的任務。我們的測試平台為這一前瞻領域的實現提供了可能，甚至可能會使未來的量子通訊和天文學研究無縫結合。
結語：從無人機到星際觀測的新未來
無人機在天文學和立方衛星技術中的應用讓我們的團隊充滿了期待。從最初的測試到干涉測量的精細設計，我們一步步探索著無人機在科學領域的潛能。隨著技術的進步，我們相信無人機能夠為未來的天文觀測開啟新的篇章，不僅可以突破地面的限制，還能在量子通訊和其他前瞻技術中找到一席之地。
透過這個無人機專案研究，我們的團隊不僅拓展了自己的科學發展與研究的視野，更希望能啟發更多科學家和工程師探索新技術。無人機不僅僅是一個空中平台，更是一個讓我們接觸星際、打破科技極限的跳板。我們非常期待無人機能夠為天文學帶來更清晰、更深入的視角，並且能夠在這個不斷演變的領域中繼續前進。
