Технологія, відома як Динамічне Цілевизначення, може дозволити космічним апаратам автономно і швидко визначати, де найкраще здійснювати наукові спостереження з орбіти.
У нещодавньому випробуванні NASA демонструє, як технології на базі штучного інтелекту можуть допомогти космічним апаратам, які перебувають на орбіті, забезпечувати більш цілеспрямовані та цінні наукові дані. Завдяки цій технології супутник, що спостерігає за Землею, вперше зміг подивитися вперед по своїй орбітальній траєкторії, швидко обробляти та аналізувати зображення за допомогою вбудованого штучного інтелекту і визначати, куди спрямувати прилад. Увесь процес зайняв менше 90 секунд без участі людини.
Що таке Динамічне Цілевизначення
Це поняття розробляється більше десяти років у Лабораторії реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії. Перше з серії випробувань проходило на борту комерційного супутника в середині липня. Основна мета: продемонструвати потенціал Динамічного Цілевизначення для покращення зображень поверхні Землі, уникаючи хмар, а також автономно шукати короткочасні явища, такі як лісові пожежі, виверження вулканів та рідкісні бурі.
“Ідея полягає в тому, щоб космічний апарат діяв більше як людина: замість того, щоб просто переглядати дані, він думає про те, що ці дані показують, і як на них реагувати,” говорить Стів Чієн, технічний спеціаліст у галузі ШІ в JPL і головний дослідник проекту Динамічного Цілевизначення. “Коли людина бачить зображення горючих дерев, вона розуміє, що це може свідчити про лісову пожежу, а не просто про набір червоних і оранжевих пікселів. Ми прагнемо зробити так, щоб космічний апарат мав можливість сказати: ‘Це пожежа,’ і тоді зосередитися на датчиках для виявлення вогню.”
Цей перший тест Динамічного Цілевизначення не передбачав пошуку конкретних явищ, таких як пожежі — це відбудеться пізніше. Натомість метою було уникати явища, яке присутнє повсюдно: хмари.
Більшість наукових інструментів на орбітальних космічних апаратах направлені вниз на об’єкти, що знаходяться під ними. Але для супутників, що спостерігають за Землею і мають оптичні датчики, хмари можуть заважати до двох третин часу, закриваючи видимість поверхні. Щоб подолати це, Динамічне Цілевизначення аналізує простір приблизно за 300 миль (500 кілометрів) вперед і здатне розрізняти хмари та ясну погоду. Якщо сцена безхмарна, космічний апарат отримує зображення поверхні, проходячи над нею. Якщо ж хмари присутні, космічний апарат скасовує зйомку, економлячи дані для наступної цілі.
“Якщо ви зможете раціонально підходити до вибору об’єктів для фотографування, то зможете знімати тільки землю і пропускати хмари. Таким чином, ви не будете зберігати, обробляти і завантажувати зображення, які дослідники дійсно не можуть використовувати,” зазначив Бен Сміт з JPL, асистент NASA у сфері технологій земного вивчення, яке фінансувало роботи з Динамічним Цілевизначенням. “Ця технологія допоможе вченим отримати набагато більший відсоток корисних даних.”
Перші випробування
Випробування проводять на CogniSAT-6, кубсаті розміром з валізу, який був запущений у березні 2024 року. Супутник, створений, зібраний і керований Open Cosmos, має вантаж, розроблений компанією Ubotica з використанням комерційно доступного процесора ШІ. Під час співпраці з Ubotica у 2022 році команда Чієна проводила тести на борту Міжнародної космічної станції, використовуючи алгоритми, схожі на ті, що були використані в Динамічному Цілевизначенні на тому ж типі процесора. Результати показали, що поєднання може бути ефективним для космічного дистанційного зондування.
Оскільки Cognisat-6 не має приладу для детального погляду вперед, космічний апарат нахиляється вперед на 40-50 градусів, щоб націлити свій оптичний сенсор, камеру, що спостерігає як видиме, так і ближнє інфрачервоне світло. Після отримання зображення попереднього перегляду, просунуті алгоритми Динамічного Цілевизначення, навчені розпізнавати хмари, його аналізують. На основі цього аналізу планувальне програмне забезпечення Динамічного Цілевизначення визначає, куди націлити сенсор для отримання зображень без хмар. Паралельно супутник знову нахиляється до надіра (напряму вниз) і отримує заплановане зображення, фіксуючи лише поверхню.
Цей процес займає від 60 до 90 секунд, залежно від початкового кута огляду, поки космічний апарат рухається на низькій орбіті Землі зі швидкістю майже 17,000 миль на годину (7.5 кілометрів на секунду).
З урахуванням підтвердження можливостей уникнення хмар, наступним випробуванням буде пошук бур і стихійних лих — по суті, націлювання на хмари замість їх уникнення. Інше випробування зосередиться на виявленні теплових аномалій, таких як лісові пожежі та виверження вулканів. Команда JPL розробила унікальні алгоритми для кожного застосування.
“Це початкове впровадження Динамічного Цілевизначення є надзвичайно важливим кроком,” сказав Чієн. “Кінцева мета — використання в експлуатаційних наукових місіях, що дозволить створювати дуже гнучкий інструмент для проведення нових вимірювань.”
Є кілька варіантів, як це може статися — можливо, навіть на космічних апаратах, що досліджують сонячну систему. Насправді Чієн і його колеги з JPL черпали натхнення для своєї роботи з Динамічного Цілевизначення від іншого проекту, в якому вони також брали участь: використання даних орбітального апарата ESA (Європейського космічного агентства) Rosetta для демонстрації можливості автономного виявлення та знімання струменів, які викидаються кометою 67P/Чурюмова-Герасименко.
На Землі адаптація Динамічного Цілевизначення для використання з радіолокацією може дозволити вченим вивчати небезпечні екстремальні зимові явища, відомі як глибокі конвективні льодові бурі, які надто рідкісні і швидкоплинні для близького спостереження за існуючими технологіями. Спеціалізовані алгоритми можуть визначити ці щільні формування бурі за допомогою супутникового приладу для попереднього перегляду. Потім потужний, зосереджений радіолокатор буде повертатися так, щоб тримати льодові хмари в полі зору, «постійно спостерігаючи» за ними, поки космічний апарат минає і збирає велику кількість даних протягом 6-8 хвилин.
Деякі ідеї включають використання Динамічного Цілевизначення на декількох космічних апаратах: результати аналізу зображень на борту ведучого супутника можуть швидко передаватися супутнику-спостерігачеві, якому буде доручено націлюватися на конкретні явища. Отримані дані можуть навіть надходити до констеляції з десятків космічних апаратів, що обертаються. Чієн очолює тест цієї концепції, названої Федеративним Автономним Вимірюванням, який почнеться пізніше цього року.
