Brug af laserstråler til kommunikation og koordinering af rumfartøjssværme

Sværme af små rumfartøjer kunne have en række interessante applikationer, især med hensyn til jordobservation, global positionering og kommunikation. Sammenlignet med store rumfartøjer, små rumfartøjer giver større blændeåbninger, muliggør bedre observation af både jord- og rummål.

På trods af deres bemærkelsesværdige fordele, effektivt at betjene et stort antal rumfartøjer på én gang har hidtil vist sig at være meget udfordrende. Eksisterende metoder er typisk afhængige af mange jordoperatørers arbejde, hvilket kan være dyrt, og dermed forhindre teknologien i at skalere op.

Et team af forskere ved University of Arizona har for nylig udviklet en ny metode til at koordinere og kontrollere rumfartssværme, som kunne være lettere at implementere i stor skala. Deres tilgang, skitseret i et papir, der på forhånd blev offentliggjort på arXiv, bruger laserstråler til at organisere og styre en stor sværm af rumfartøjer.

"Vi har undersøgt måder at kontrollere sværme og et stort antal robotter/UAV'er/rumfartøjer med meget få mennesker i sløjfen i mere end 10 år, "fortalte forskerne, der gennemførte undersøgelsen TechXplore , via e-mail. "Nogle af vores teknikker er helt autonome uden mennesker i løkken, i andre scenarier har vi mennesker og robotter coexist. "

I deres tidligere arbejde, forskerne forsøgte at udvikle intuitive metoder til effektiv kontrol fra 10 til tusinder af robotter. De ønskede, at disse metoder skulle være intuitive, da dette ville forenkle uddannelsen af ​​operatører, i sidste ende reducere deres stressniveau, især i crunch -tiden.

"Vores idé var inspireret af rollen som dirigent i orkesteret, "forklarede forskerne." Denne ene person har til opgave at koordinere indsatsen fra mange musikere. Vi synes, at analogien til at styre mange musikere ad gangen passer godt til at styre mange rumfartøjer/UAV'er/UGV'er osv. Vi har derfor ledt efter fysiske måder, hvorpå man kan fungere meget som dirigent i et orkester for at styre rumfartøjer. Det var ikke muligt at have en tryllestav, men at bruge laserstråler var helt sikkert troværdigt. "

Teknologien udviklet af forskerne kan fornemme laserstråler på et rumfartøj, ved hjælp af solpaneler som sensorenheder. Et solpanel, der genererer elektricitet under solen, kan også uafhængigt fornemme laserlys. Solpaneler fylder tilfældigt det største overfladeareal på rumsatellitter, derfor kunne de være de ideelle sanseapparater til rumfartøjer.

Forskerne observerede, at solpaneler kan opdeles i små firkanter, ligner pixels på en skærm, som kan bruges til at registrere laserlys. Laserlyset, der rammer solpanelet forskellige steder, kan resultere i forskellige kommandoer, med panelet næsten som en berøringsskærm på en smartphone. Som backup, forskerne har også strategisk placeret digitale kameraer på rumfartøjet, at registrere laserens bevægelse i rummet.

Deres fremgangsmåde anvender laserstråler rettet fra jorden eller fra et kommando og kontrol rumfartøj til at organisere og styre en stor sværm. Hver satellit i sværmen ville have en 'smart hud', som omfatter solpaneler, strøm- og styrekredsløb, og en indlejret sekundær fremdriftsenhed. Laserstrålerne ville interagere med solpanelerne på individuelle medlemmer af sværmen, tillader en operatør at vælge en 'leder' blandt gruppen af ​​rumfartøjer og indstille parametre for formationsflyvning.

"I en vis forstand, vores teknologi ligner en scene ud af bogen/filmen Ender's Game , hvor du har et par operatører, der kontrollerer hundreder til tusinder af rumfartøjer og robotter, "sagde forskerne." Med denne teknologi på plads, det er muligt at bevæge sig rundt om laserlyset på et solpanel og for panelet at fornemme det bevægelige signal. "

Interfacet, som forskerne har udtænkt, er udelukkende baseret på bevægelser og håndbevægelser, Derfor kræver det ikke joysticks eller omfattende kodning. Ved hjælp af deres teknologi, en operatør ville være i stand til at videregive en besked til rumfartøjet ved blot at 'tegne' et bestemt tegn eller en gestus på solpanelet.

"Vores tilgang kan gøres til at være intuitiv, "forklarede forskerne." F.eks. hvis du skulle vælge et rumfartøj ved hjælp af dette laserlys, du tegner simpelthen en hurtig cirkel på solpanelerne ved hjælp af laseren. Du kan derfor have et alfabet med gestus og kommandoer til at udføre alle slags grundlæggende kommandoer og kontrol af en sværm. Du kan beslutte om et ledende rumfartøj og om rumfartøjer, der er en del af gruppen, at opdele dem i en eller flere grupper. Du kan tegne en bane/sti og få hele gruppen af ​​rumfartøjer til at følge den vej, og så videre."

De fleste eksisterende metoder til kontrol af rumfartøjssværme indebærer brug af to terminaler, en til operatører og en til rumfartøjet, som også kan styres ved hjælp af et joystick. Kommandoer gives typisk ved hjælp af linjer eller sæt af instruktioner, og det gør det lettere for operatører at begå fejl.

At sende de forkerte instruktioner til rumfartøjer kan have katastrofale konsekvenser, muligvis afslutte en mission og forårsage tab af millioner eller milliarder. Den gestusbaserede tilgang, som forskerne havde udtænkt, kunne forenkle kontrollen med rumfartøjssværme, forhindre fejl og kommandorelateret forvirring.

"Det er udfordrende at kontrollere flåder/sværme af rumfartøjer, da du arbejder i 3-dimensioner, i mikro-tyngdekraften, "sagde forskerne." Der er ingen op, ned, osv. i rummet. Vores tilgang til at kontrollere mange rumfartøjer overskrider sådanne problemer, skåner menneskelige operatører for at skulle forestille sig tingene og i stedet lade dem udføre sådanne handlinger. Det er så intuitivt, at den største bekymring var, at hackere og uærlige personer kunne lære de samme fagter og tage kontrol over en flåde af rumfartøjer. Ikke desto mindre, i vores tilgang er sikkerhed ikke en eftertanke, det er grundlaget for systemet. "

Når de udvikler deres system, forskerne prioriterede dens sikkerhed. For eksempel, selve lasersignalerne kan kodes og konstant passere en moduleret kodeordstreng. Det betyder, at selvom en anden operatør muligvis kan se de gestus, der er involveret i operationen, de ville kræve adgangskoder for at styre andre rumfartøjer.

Operatører, der håndterer en anden sværm af rumfartøjer i nærheden, skal muligvis se tegn på kommandobevægelser, da dette ville hjælpe med at koordinere sværm til sværm interaktioner. Den tilgang, forskerne har udtænkt, gør det muligt for nærliggende operatører at se disse gestus, men forhindrer dem i at hacke ind i systemet og kontrollere andre sværme. For missioner, der kræver større sikkerhed, signalerne kan også kodes yderligere, helt forhindrer andre i at finde ud af kommandoerne.

"Alt i alt, tilgangen giver mulighed for en glidende skala af gennemsigtighed, når der kommanderer flåder eller sværme af rumfartøjer, "sagde forskerne." I nogle tilfælde, det er vigtigt for andre rundt omkring at se, hvad der sker, og være opmærksom på de gestuskommandoer, der udføres af hensyn til sikkerheden, mens det i andre tilfælde skal være helt sikkert og gemt væk. "

Den fremgangsmåde, som forskerne har udtænkt, kan også anvendes på andre robotsværme, såsom grupper af ubemandede luftfartøjer (UAV'er), ubemandede terrængående køretøjer (UGV'er) og undervandsbiler. I øjeblikket, teamet arbejder på interaktive laboratoriedemonstrationer af teknologien ved hjælp af jordrobotter.

"Vi håber at vise teknologien i aktion og for, at folk får en bedre forståelse for, hvad der er blevet teoretiseret, "sagde forskerne." Med disse jordrobotdemonstrationer, Vi er konstant på udkig efter sponsorer og potentielle kunder. "

I fremtiden, forskerne håber at fremme deres tilgang yderligere, så den kan bruges i specifikke indstillinger, for eksempel til militæret, rumtrafikstyring og sikkerheds- og redningsapplikationer. De har også for nylig offentliggjort et opfølgende papir, skitserer deres planer om at demonstrere teknologien i rummet.

"Vores store planer fremover er at demonstrere teknologien i rummet, "har forskerne sagt." Vi har samarbejdspartnere som f.eks. professor Vishnu Reddy, der kan hjælpe os med at overvåge enkelt eller flere sværme af rumfartøjer ved hjælp af topmoderne teleskoper fra jorden. Vi kunne også montere disse lasere til at arbejde sammen, ved hjælp af teleskoper til at styre rumfartøjet. "

© 2019 Science X Network