Zwiększenie autonomii statków kosmicznych
Wyniesienie na orbitę okołoziemską niezliczonych satelitów i rakiet zwiastowało wejście ludzkości w erę kosmiczną. Pomimo rozwoju automatyzacji, wiele działań w kosmosie nadal wymaga ręcznego sterowania przez ludzi. „Od manewrów po badania naukowe, niemal wszystkie działania w kosmosie są zwykle wstępnie planowane przez zespoły inżynierów na Ziemi", wyjaśnia Ethan Ryan Burnett, były pracownik Politechniki Mediolańskiej(odnośnik otworzy się w nowym oknie) (Polimi), a wkrótce adiunkt na Uniwersytecie Teksańskim w Austin. „Powolna automatyzacja misji kosmicznych wynika z dwóch powodów. Po pierwsze, misje kosmiczne są bardzo kosztowne, zatem agencje kosmiczne naturalnie starają się unikać ryzyka związanego z autonomicznymi eksperymentami. Po drugie, komputery na pokładzie statków kosmicznych są bardzo powolne w porównaniu do ich ziemskich odpowiedników”. Urządzenia są budowane z myślą o odporności na trudne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej, gdzie występują wysokoenergetyczne cząsteczki. Oznacza to, że liczba rodzajów algorytmów, jakie można uruchomić na komputerach pokładowych, jest mocno ograniczona, a oprogramowanie musi być projektowane z myślą o jak najmniejszym obciążeniu obliczeniowym. Burnett wraz z zespołem finansowanego ze środków Unii Europejskiej projektu FAAST opracowali nowe i wydajne algorytmy naprowadzania i sterowania dla małych i międzyplanetarnych statków kosmicznych. „Zwykle stawiamy znak równości pomiędzy niskim obciążeniem obliczeniowym i niską wydajnością, ale dzięki projektowi FAAST chcemy pokazać, że to nie do końca prawda”. Głównym celem projektu FAAST było zaprojektowanie zaufanych autonomicznych algorytmów naprowadzania wymagających niewielkiej mocy obliczeniowej, których popularyzacja może istotnie obniżyć koszty operacyjne misji. Obecnie wynoszą one(odnośnik otworzy się w nowym oknie) od 10 % do 50 % całkowitych kosztów dłuższych misji. „To sposób na obniżenie kosztów, który może ułatwić dostęp do przestrzeni kosmicznej podmiotom, które nie dysponują dużym budżetem. Umożliwi również budowanie sprawniejszych statków kosmicznych, dzięki którym możemy być w stanie realizować zupełnie nowe rodzaje w pełni autonomicznych misji kosmicznych”, zauważa Burnett.
Nowe algorytmy nawigacji i sterowania
Zespół projektu FAAST koncentrował się na opracowywaniu algorytmów, które kontrolują trajektorię statku kosmicznego na podstawie jego aktualnego położenia i prędkości, celu lub zestawu celów oraz problemów - w tym konieczności unikania niebezpiecznych obiektów w kosmosie. Badacze zastosowali w tym celu szereg metod matematycznych i obliczeniowych, jednak dwie z nich były szczególnie istotne. Pierwszą z nich była optymalizacja wypukła - grupa stabilnych algorytmów, które umożliwiają sprawne rozwiązywanie równań, o ile są one przedstawione w pewnych standardowych formach. Druga metoda polegała na wstępnym obliczeniu informacji potrzebnych do zaplanowania trajektorii, dzięki czemu narzędzie nawigacyjne nie wymaga rozwiązywania złożonych równań. Po opracowaniu prototypów zespół przetestował algorytmy na komputerach, a następnie w warunkach doświadczalnych. „Ze względu na fakt, że prace w ramach projektu FAAST przeciągnęły się poza okres trwania stypendium w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”(odnośnik otworzy się w nowym oknie), mamy nadzieję, że w nadchodzących miesiącach rozpoczniemy testowanie algorytmów na urządzeniach zbliżonych do urządzeń kosmicznych”, zauważa Burnett.
Droga do testów w rzeczywistych warunkach
Obecnie wiele osiągnięć projektu jest weryfikowane przed publikacją na łamach czasopism naukowych. Pierwszy artykuł opracowany w ramach projektu ukazał się w czasopiśmie „Journal of Guidance, Control, and Dynamics”(odnośnik otworzy się w nowym oknie). Czytamy w nim o metodzie nawigacji opracowanej w ramach projektu, która działa z dużą wydajnością na standardowym laptopie. „W nadchodzących miesiącach zamierzamy sprawdzić wydajność naszych rozwiązań na wolniejszym sprzęcie kosmicznym”, mówi Burnett. „Ze względu na to, że tego rodzaju algorytmy są wykorzystywane do planowania wielu godzin lub dni operacji, mamy nadzieję, że spowolnienie wynoszące kilka minut nie będzie dużą przeszkodą”. Oprócz testów w warunkach zbliżonych do rzeczywistych, Burnett pracuje również nad dalszym rozwojem technologicznym samych algorytmów. „Dalsze prace obejmują uwzględnienie wiedzy o niepewnościach do algorytmu”, dodaje.
