Accroître l’autonomie des engins spatiaux autonomes
Avec d’innombrables satellites en orbite et des lancements de fusées réguliers, l’humanité est bel et bien dans l’ère spatiale. Malgré les progrès considérables de l’automatisation, de nombreuses opérations spatiales sont encore contrôlées manuellement par des humains. «Des manœuvres aux opérations scientifiques, presque toutes les activités sont généralement planifiées par des équipes d’ingénieurs sur le terrain», explique Ethan Ryan Burnett, ancien étudiant de l’université polytechnique de Milan(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) (Polimi) et bientôt professeur assistant à l’université du Texas à Austin. «Ce retard de l’automatisation dans l’espace s’explique par deux raisons: les missions spatiales étant très coûteuses, les agences sont naturellement peu enclines à prendre des risques en ce qui concerne les expériences autonomes, et les ordinateurs à bord des vaisseaux spatiaux sont très lents par rapport à leurs homologues terrestres.» Ces ordinateurs sont conçus pour résister à l’environnement hostile des particules de haute énergie présentes dans l’espace, ce qui implique que les types d’algorithmes pouvant être exécutés à bord sont très limités et que les logiciels de vol doivent être conçus avec une faible empreinte de calcul. Dans le cadre du projet FAAST financé par l’UE, Ethan Ryan Burnett et son équipe ont développé de nouveaux algorithmes de guidage et de contrôle pour les petits engins spatiaux et les vaisseaux spatiaux interplanétaires. «Traditionnellement, une faible empreinte de calcul est associée à une faible capacité, mais avec FAAST, nous espérons démontrer que ce n’est pas nécessairement le cas.» L’objectif principal de FAAST était de concevoir des algorithmes de guidage autonomes fiables et peu encombrants, qui, s’ils étaient largement adoptés, pourraient considérablement réduire les coûts opérationnels des missions. Ceux-ci varient actuellement(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) entre 10 % et 50 % du coût total des missions de longue durée. «Il s’agit d’une innovation qui pourrait contribuer à rendre l’espace plus accessible à moindre coût. Elle permettrait également d’utiliser des engins spatiaux plus performants, ce qui pourrait inaugurer de nouveaux types de missions spatiales pionnières entièrement autonomes», souligne Ethan Ryan Burnett.
Développer de nouveaux algorithmes de guidage et de contrôle
FAAST s’est concentré sur le développement d’algorithmes qui régissent la trajectoire d’un engin spatial en fonction de sa position et de sa vitesse actuelles, d’un objectif ou d’un ensemble d’objectifs, et de problèmes tels que, par exemple, l’évitement d’objets dangereux dans l’espace. Le projet a fait appel à de nombreuses méthodes mathématiques et informatiques, dont deux se sont avérées plus importantes que d’autres. La première était l’optimisation convexe, une famille d’algorithmes stables qui résolvent les équations si elles sont mises sous certaines formes standard. La deuxième méthode consistait à précalculer les informations nécessaires à la planification d’une trajectoire afin que l’outil de guidage n’ait pas à résoudre des équations complexes à bord. Une fois les prototypes développés, l’équipe a testé les algorithmes sur des ordinateurs, puis dans un cadre expérimental. «Comme le travail sur FAAST s’est poursuivi au-delà de la période de la bourse Actions Marie Skłodowska-Curie(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre), nous espérons dans les mois à venir commencer à tester les algorithmes de FAAST sur du matériel de type volant», ajoute Ethan Ryan Burnett.
Des essais en situation comparable au vol
Une grande partie de ces travaux est en cours d’évaluation par les pairs en vue de leur publication dans des revues scientifiques. Le premier article du projet a été publié dans le «Journal of Guidance, Control, and Dynamics»(s’ouvre dans une nouvelle fenêtre) et présente une méthode de guidage développée dans le cadre du projet qui tourne rapidement sur un ordinateur portable. «Dans les mois à venir, nous testerons le temps nécessaire dans le cadre d’un matériel de vol, qui est plus lent», explique Ethan Ryan Burnett. «Comme ces algorithmes sont utilisés pour planifier des heures ou des jours d’opérations, nous espérons qu’un ralentissement de quelques minutes, par exemple, ne constituera pas un obstacle majeur.» Au-delà des essais en situation comparable au vol à venir, Ethan Ryan Burnett travaille également sur les prochaines étapes du développement technologique des algorithmes eux-mêmes. «La tâche actuelle consiste à intégrer la connaissance des incertitudes dans l’algorithme», conclut-il.
