I science fiction, upptäcktsresande kan hoppa i futuristiska rymdskepp och korsa halva galaxen i ett ögonblick av ett tomt hål. Dock, detta åsidosätter den navigeringsakrobatik som krävs för att garantera framgång i verkliga uppdrag.

År 2021, navigeringen som är Lucy-uppdraget kommer att lanseras. Att styra Lucy mot sina mål innebär inte bara att programmera in en karta i en rymdfarkost och ge den bensinpengar – den kommer att flyga förbi sex asteroidmål, var och en i olika banor, under loppet av 12 år.

Lucys destination är bland Jupiters trojanska asteroider, hopar av steniga kroppar nästan lika gamla som solen själv, och att besöka dessa asteroider kan hjälpa till att låsa upp det tidiga solsystemets hemligheter. Lucy kommer att möta en Main Belt-asteroid 2025, där det kommer att genomföra en övningskörning av sina instrument innan de möter de fyra första trojanska målen från 2027-2028. År 2033, Lucy kommer att avsluta sitt uppdrag med en studie av ett binärt system av två trojaner som kretsar runt varandra.

Att få rymdfarkosten dit den behöver gå är en enorm utmaning. Solsystemet är i konstant rörelse, och gravitationskrafter kommer att dra på Lucy hela tiden, särskilt från de mål som den syftar till att besöka. Tidigare uppdrag har flugit förbi och till och med kretsat runt flera mål, men ingen så många som Lucy.

Forskare och ingenjörer som är involverade i bandesign har ansvaret för att ta reda på den vägen, under Flight Dynamics Team Leader Kevin Berry från NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. En sådan ingenjör är Jacob Englander, den tekniska ledningen för optimeringen för Lucy-uppdraget. "Det finns två sätt att navigera i ett uppdrag som Lucy, " sa han. "Du kan antingen bränna en enorm mängd drivmedel och sicksacka dig runt och försöka hitta fler mål, eller så kan du leta efter en möjlighet där de bara alla råkar ställa upp perfekt." För att besöka dessa inriktade mål, Majoriteten av Lucys höghastighetsfilbyten kommer från gravitationsassistanser, med minimal användning av drivna tweaks.

Även om Lucy är programmerad att kasta sig ut i en himmelsk anpassning som inte kommer att inträffa på decennier, det kan inte överlåtas åt sig själv. När rymdfarkosten börjar närma sig sina asteroidmål, optisk navigering är nästa steg som krävs.

"OpNav, "som den tekniska ledaren för optisk navigering Coralie Adam refererar till det, är användningen av bilder från kamerorna ombord för att bestämma Lucys position i förhållande till målet. Detta är ett användbart mått som används av navigeringsteamet för att justera Lucys rutt och säkerställa att den stannar på den nominella förbiflygningsvägen. Adam arbetar i Simi Valley, Kalifornien, med KinetX, företaget NASA valde att utföra Lucys djupa rymdnavigering.

Genom att använda kommunikationslänken från rymdfarkosten till jorden, Adam sa, Lucy-teamet får information om rymdfarkostens plats, riktning och hastighet. Rymdfarkosten tar bilder och skickar ner dem till jorden, där Adam och andra optiska navigatörer använder programvara för att avgöra var bilden togs baserat på stjärnornas och målets placering. Banbestämningsteamet använder dessa data tillsammans med data från kommunikationslänken för att lösa var rymdfarkosten är och var den förväntas vara, i förhållande till trojanerna. Teamet utformar sedan en manöver för att korrigera banan för att få Lucy på rätt spår. "Den första manövern är liten, " sa navigeringstekniker Dale Stanbridge, som också är KinetX. "Men den andra är på 898 meter per sekund. Det är en egenskap hos Lucy:mycket stora delta V-manövrar." Delta V hänvisar till förändringen i hastighet under manövern.

Att kommunicera alla dessa navigeringskommandon med Lucy är en process helt för sig. "Lockheed Martin skickar kommandona till rymdfarkosten via Deep Space Network, ", sa Adam. "Vad vi gör är att vi arbetar med Lockheed och Southwest Research Institute, där team sekvenserar instrumenten och designar hur rymdfarkosten är spetsad, för att se till att Lucy tar de bilder vi vill ha när vi vill ha dem."

"Manövrarna för att korrigera Lucys bana kommer alla att vara riktigt kritiska eftersom rymdfarkosten måste möta trojanen i skärningspunkten mellan rymdfarkosten och trojanska orbitalplan, " sa Stanbridge. "Att ändra rymdfarkostens omloppsplan kräver mycket energi, så manövrarna måste utföras vid optimal tidpunkt för att nå nästa kropp samtidigt som bränslekostnaden minimeras."

Medan Lucy genomför djupa rymdmanövrar för att korrigera sin bana mot sina mål, kommunikationen med rymdfarkosten försvinner ibland under korta perioder. "Blackoutperioder kan vara upp till 30 minuter för några av våra större manövrar, " sa Stanbridge. "Andra gånger du kan förlora kommunikationen skulle vara när, till exempel, solen, kommer mellan jordens spårningsstation och rymdfarkosten, där signalen skulle försämras genom att passera genom solplasman."

Att tappa kontakten är inte katastrofalt, fastän. "Vi har högtrohetsförutsägelser av rymdfarkostens bana som lätt är tillräckligt bra för att återuppta spårningen av rymdfarkosten när händelsen som orsakade en kommunikationsbortfall är över, sa Stanbridge.

Vilken väg kommer Lucy att ta när uppdraget är klart, snart 15 år från nu? "Vi ska bara lämna det där ute, ", sa Englander. "Vi gjorde en analys för att se om det passivt träffar något, och ser långt in i framtiden, det gör det inte." Lucy-teamet har gett rymdfarkosten en tydlig väg i tusentals år, långt efter att Lucy har skrivit om läroböckerna om vårt solsystems historia.