Новые алгоритмы повысят безопасность автономных космозондов
На протяжении всей истории человечества небо вызывало у людей ассоциации с огромной пустотой, с огромным пустым куполом, который днем освещается солнцем, а ночью многочисленными крошечными пятнами света (и периодически Луной). Поскольку мы отважились выйти в космос, как физически, с помощью космических аппаратов, так и оптически, с помощью целого ряда телескопических технологий, мы теперь знаем, что там есть довольно много интересного.
Это открытие имеет огромное значение для аэрокосмической отрасли. Представьте, например, автономный космический аппарат стоимостью в несколько миллиардов долларов, который тщательно проектировался в течение многих лет, запускается в космос с точными расчетами только для того, чтобы потерять один из своих двигателей и врезаться в астероид.
Исторически сложилось так, что инженеры справлялись с возможностью выхода из строя оборудования на борту космических аппаратов двумя основными способами: во-первых, используя "безопасный режим", в котором космический аппарат может нанести наименьший ущерб самому себе, в то время как ученые на земле изучают данные, ставят диагноз и разрабатывают решение; и, во-вторых, путем оснащения автономных транспортных средств резервными системами. Они позволяют космическому аппарату, например, отключить неисправный двигатель и начать использовать резервные двигатели.
Однако в космосе могут возникать опасные ситуации без предупреждения и при недостатке времени для связи "космос-земля". И хотя резервные системы были довольно эффективными, они увеличивают стоимость и вес автономных космических аппаратов.
Вот почему в лаборатории Сун-Джо Чанга, профессора по управлению и динамическим системам в Брен и старшего научного сотрудника Лаборатории лабораторных исследований (JPL), которой руководит Калифорнийский технологический институт для НАСА, проводятся эксперименты по оптимизации аварийных функций автономных транспортных средств таким образом, чтобы они могли диагностировать столкновения с другими объектами и безопасно реагировать на них в режиме реального времени. Благодаря новым алгоритмам на борту космические аппараты могут тестировать свое собственное оборудование и прогнозировать, какие будущие действия с наибольшей вероятностью обеспечат их безопасную работу.
Как объясняет один из руководителей этого проекта, Фред Хадейг, профессор-исследователь аэрокосмической отрасли Калифорнийского технологического института и бывший главный технолог JPL, "наличие избыточных систем не всегда практично. Это означает, что космический аппарат должен быть больше, тяжелее и дороже, чем он был бы в противном случае. Итак, идея заключается в том, что, когда космический аппарат сталкивается с проблемой, он может выяснить, что не работает, и исправить или адаптировать к этой конкретной неисправности."
В лаборатории Чанга, помимо прочего, находится усовершенствованный мультипространственный динамический тренажер.
"Тренажер занимает большую комнату с действительно ровным полом", - объясняет Джеймс Раган, аспирант аэрокосмических лабораторий Калифорнийского технологического института (GALCIT) и ведущий автор новой статьи на эту тему. "В модели космического корабля используются воздушные опоры, так что он движется по полу практически с нулевым трением. В состоянии покоя он кажется плавающим, и если вы толкнете его в одном направлении, он будет продолжать двигаться, пока не наткнется на что-нибудь, что и представляет собой космическую динамику".
Раган запрограммировал роботизированный симулятор космического корабля на то, что он и его соавторы называют s-FEAST: безопасная оценка неисправностей с помощью активного поиска по дереву датчиков. "Наш алгоритм s-FEAST быстро "видит сны" о множестве возможных вариантов будущего, которые могут возникнуть в результате действий, которые он предпринимает сейчас", - говорит Раган.
"Поскольку система зашумлена, эти варианты будущего неопределенны. Существует множество возможных исходов, что приводит к дереву возможных ветвящихся вариантов будущего. Каждая ветвь представляет собой один из возможных вариантов развития событий в будущем, основанный на том, что контролирует космический аппарат — тестовые действия, которые он выбирает, — а также на том, чего он не делает, например, на наблюдениях, поступающих от неисправных датчиков".
Чанг добавляет: "Инновационность нашего метода s-FEAST заключается в том, что мы систематически решаем проблему "курицы и яйца" при оценке состояния транспортного средства, такого как положение и скорость, и выявлении неисправностей или ухудшения качества, которые неразрывно связаны друг с другом".
Когда космический аппарат обнаруживает неожиданные данные, он подключается к алгоритму s-FEAST, который запускает тестовые действия, "похожие на то, как вы можете тщательно протестировать свои мышцы, когда чувствуете неожиданную боль, и вы хотите выяснить, что именно болит и как избежать действий, которые могут еще больше навредить вам", - объясняет Раган.
s-FEAST одновременно анализирует ряд возможных вариантов развития событий и выбирает из них тот, который с наибольшей вероятностью поможет определить, что пошло не так, а также избежать опасности. В случае этой модели опасность заключается в столкновении с астероидом.
"Ключевая идея здесь в том, что s-FEAST не заменяет все операции с космическими аппаратами. Это ваше экстренное реагирование", - говорит Раган. "Космический аппарат получает внутренний сигнал о том, что что-то не так, поэтому s-FEAST использует все вычислительные мощности космического аппарата, чтобы быстро оценить происходящее и принять меры по устранению неполадок. Как только опасность будет выявлена и устранена, s-FEAST вернет управление обратно в обычную компьютерную среду космического корабля".
s-FEAST также можно использовать в профилактических целях. Скажем, автономный космический аппарат собирается выполнить особенно рискованное или критически важное действие; перед выполнением этого действия s-FEAST может запустить цикл тестирования, чтобы убедиться, что все системы работают должным образом.
Чанг и его соавторы предполагают, что предложенный метод позволит по-новому повысить безопасность и рентабельность дорогостоящих космических исследований. "Космические системы требуют автономных операций, поскольку мы не можем захватить и починить космические аппараты и марсианские вертолеты, работающие в отдаленном от нас мире", - говорит Чанг. "Космос - это наш главный "испытательный полигон" для любых исследований автономности, которые мы проводим для наземных транспортных систем".
Неудивительно, что алгоритм s-FEAST, который работал на симуляторе космического корабля, был адаптирован командой для работы и на наземном транспортном средстве. Оба эксперимента были успешными, поэтому технология s-FEAST имеет большие перспективы для автономных транспортных средств как на Земле, так и в космосе.
