Flåder af autonome satellitter til at koordinere opgaver indbyrdes

Rummissioner har længe nydt godt af nogle autonome operationer, der er udført ombord på rumfartøjer, men med en kraftig stigning i antallet af opsendte satellitter i de næste par år, forskere bruger automatisering og kunstig intelligens til at gøre dem smartere og mere effektive.

Teknologivirksomheder og forskere ser muligheder for at give satellitter mere kontrol ombord, at omgå vanskeligheder med at kommunikere med Jorden og reducere behovet for kontinuerlig hands-on supervision og intervention på afstand. Det vil reducere driftsomkostningerne og potentielt give dem mulighed for at udføre mere sofistikerede opgaver uafhængigt af deres jordbundne supervisorer.

Mindre, autonome rumfartøjer kunne lukke hullerne i dækningen mellem meget større, dyrere telekommunikationssatellitter, eller bruges i formationer til at overvåge rumvejr eller observere Jorden fra forskellige perspektiver samtidigt - såsom tredimensionel realtidsanalyse af skyer eller overvågning af vulkanske faner.

Derved, de ville være i stand til at korrigere og vedligeholde deres bane, undgå kollisioner og overvåge deres indbyggede systemer helt på egen hånd – alt sammen til en væsentlig lavere driftsomkostning.

Professor Klaus Schilling, formand for robotteknologi og telematik ved Würzburg Universitet i Tyskland, har arbejdet på teknologien for grupper af små, autonome satellitter til at flyve i formation, kommunikerer direkte med hinanden for at organisere og koordinere opgaver. Succes ville markere en verdensnyhed.

Netværk

Til prisen for en multi-tons satellit, han ser muligheden for at bruge grupper af små satellitter – endda hundredvis af dem – til at oprette et sensornetværk. Flåden ville have brug for mere avanceret koordinering og kontrol, men ville være i stand til at give bedre tidsmæssig og rumlig opløsning end et kæmpe fartøj.

Mens miniaturisering kan give problemer for satellitter, såsom modtagelighed for støj i elektroniske kredsløb, sofistikeret software kan opdage og rette disse problemer, og samarbejde mellem små rumfartøjer kan også forbedre deres muligheder, Prof. Schilling siger.

"Dette er endda tilfældet med en enkelt satellit, men det bliver kritisk på multi-satellit-niveau, i forbindelse med dannelsen, " sagde prof. Schilling, som også leder det tyske forskningsfirma Center for Telematics.

Hans NetSat-projekt sigter mod at opsende fire små satellitter i slutningen af ​​dette år, at kredse om Jorden og teste formationer med varierende grader af autonomi, med let-touch-overvågning fra jordkontrol.

Satellitterne vil veje omkring 3 kg hver – kun en brøkdel af størrelsen af ​​de største satellitter – og vil blive placeret i et lavt kredsløb om Jorden, omkring 600 kilometer over overfladen.

Til dato, Prof. Schilling og hans team har brugt satellitter, der allerede er i kredsløb til at udvikle og demonstrere systemer til kommunikation, positionering og orientering, og de tester i øjeblikket et elektrisk fremdriftssystem til NetSat.

Teknologien inkorporerer også to årtiers læring fra forskning i at kontrollere formationer af mobile robotter, udvider i tre dimensioner den sværmlignende adfærd, der bruges til at koordinere terrestriske rovere.

Koordinere

NetSat-rumfartøjet vil være i stand til at koordinere med hinanden over afstande fra omkring 100 kilometer ned til 10 meter, samt ændre deres dannelse afhængigt af de opgaver, de skal udføre.

"For os vil det være som at have et laboratorium i rummet, hvor vi kan lave en masse operationstests, en masse kontroltests og en masse sensortests, som vil hjælpe os til fremtidige missioner, " sagde prof. Schilling.

NetSat fungerer ved at fordele computerkraft mellem satellitter i en formation, men en anden tilgang under udforskning er at bruge kunstig intelligens (AI) til at øge satellitautonomi.

AI kan gøre en satellit opmærksom på sine omgivelser og bestemme selvstændigt, hvornår og hvordan de skal udføre operationelle opgaver, såsom at samle billeder, analysere og bearbejde dem, og derefter kun vælge de væsentlige data til download til jordstationen.

Målet kunne være at identificere specifikke mål, der kan overvåges eller spores, måske en bygning eller et skib eller et køretøj på jordens overflade, eller frafiltrering af skyer for at forbedre billedkvaliteten.

En sådan satellit kunne også genkende nye hændelser, der kræver overvågning eller uregelmæssigheder, der kræver handling, siger Dr. Lorenzo Feruglio, grundlægger og administrerende direktør for det italienske rumteknologiske start-up AIKO, baseret i Torino.

"På en måde er du nødt til at opdage forholdene og hvad der sker, og så reagerer du selvstændigt på disse forhold, ved at bruge AI frem for traditionelle algoritmer, " sagde Dr. Feruglio.

Han leder et projekt kaldet MiRAGE, som bruger AI-værktøjer såsom deep learning til at automatisere satellitoperationer.

Lavere omkostninger

Så smart, AI-baserede indbyggede systemer sikrer, at rumfartøjet kan udføre sine opgaver uden de forsinkelser, der er involveret i at afvente nye instruktioner eller beslutninger fra jordkontrol, som så kan fokusere på kritiske emner frem for rutineopgaver – med kraftigt reduceret bemanding og til meget lavere omkostninger.

MiRAGE-softwaren, hvoraf nogle har sine rødder i den funktionalitet, der efterspørges af droner eller autonome biler, vil blive opsendt som et ombord-eksperiment på en lille satellit i sidste kvartal af dette år, med henblik på at blive rullet ud på større rumfartøjer i fremtiden. Et af målene er at demonstrere AIs tilpasningsevne til forskellige opgaver og missionsmål – herunder muligheden for udforskning af det dybe rum.

"Generelt, AI og deep learning beviser deres værd i mange forskellige industrier, og fordelene (for rummissioner) er langt fra at være fuldt udforsket endnu, " tilføjede Dr. Feruglio.