Астронавти, які проживають і працюють на Місяці та Марсі, покладатимуться на супутники для надання таких послуг, як навігація, погодні прогнози та зв’язок. Автоматизація супутникових комунікацій дозволить дослідникам зосередитися на критичних завданнях, не витрачаючи час на ручне управління супутниками.
Довгострокові космічні місії вимагатимуть співпраці між системами на Землі та інших планетах. Супутники, які обертаються навколо Місяця, Марса чи інших віддалених районів, стикаються з затримками в комунікації з наземними операторами, що може обмежити ефективність їх місій.
Рішення полягає в проекті Дистрибутивна Автономія Космічних Апаратів (DSA), який очолює Ames Research Center NASA в Каліфорнійській Силіконовій долині. Проект тестує, як спільна автономія в рамках розподілених місій космічних апаратів робить зграйки більш здатними до самостійного дослідження та обслуговування, ухвалюючи рішення і адаптуючись до змін з меншою участю людей.
Програмне забезпечення DSA
Завдяки автономії супутники можуть надавати послуги без необхідності чекати команд від наземних операторів. Розподіл автономії між кількома супутниками, які діють як зграя, створює у них «спільний мозок», що дозволяє досягати цілей, які вони не змогли б реалізувати поодинці.
Програмне забезпечення DSA, розроблене дослідниками NASA, надає зграї список завдань і ділиться унікальними перспективами кожного космічного апарата – що він може спостерігати, які у нього пріоритети – і інтегрує ці перспективи в найкращий план дій для всієї зграї. Цей план підтримується деревами рішень і математичними моделями, які допомагають зграї вирішити, яке діяння вжити після виконання команди, як реагувати на зміни чи вирішувати проблеми.
Перша демонстрація DSA в космосі почалася на борту зграї супутників Starling, що складається з чотирьох малих супутників, які демонструють різноманітні технології зграї. Після початку операцій у липні 2023 року, місія Starling продовжує служити платформою для тестування та валідації автономних операцій зграї. Зграя вперше використала DSA для оптимізації наукових спостережень, ухвалюючи рішення про те, що спостерігати, без попередньо запрограмованих інструкцій. Ці автономні спостереження призвели до вимірювань, які могли бути пропущеними, якби оператор повинен був інструктувати кожен супутник окремо.
Демонстрація можливостей Starling
Зграя Starling виміряла вміст електронів у плазмі між космічними апаратами та GPS-супутниками, щоб зафіксувати швидко змінювані явища в іоносфері Землі – зоні, де атмосфера Землі зустрічається з космосом. Програмне забезпечення DSA дозволило зразці самостійно ухвалювати рішення щодо того, що вивчати та як розподілити навантаження між чотирма космічними апаратами.
Оскільки кожен супутник Starling функціонує як незалежний член у зграї, якщо один з учасників не зміг виконати своє завдання, інші три могли відреагувати і виконати цілі місії.
Демонстрація Starling 1.0 досягла кількох перших досягнень, включаючи першу інтеграцію повністю розподілених автономних операцій кількох супутників, перше використання комунікацій між космічними апаратами для самостійного обміну інформацією про статус між кількома супутниками, першу демонстрацію повністю розподілених реактивних операцій на борту кількох супутників, перше використання універсальної автоматизованої системи розуміння на борту космічного апарата, а також перше використання повністю розподіленого автоматизованого планування на кількох супутниках. Ці досягнення поклали основу для продовження місії Starling 1.5+, в рамках якої продовжується застосування DSA.
Після успішної демонстрації DSA на Starling 1.0, команда почала досліджувати додаткові можливості використання програмного забезпечення для підтримки здоров’я та ефективності зграї супутників. Продовження тестування DSA в рамках розширеної місії Starling включало використання PLEXIL (Plan Execution Interchange Language) – програмної мови, розробленої NASA для надійної та гнучкої автоматизації складних операцій космічних апаратів.
На борту Starling додаток PLEXIL продемонстрував автономне управління, дозволяючи зграї управляти нормальними операціями космічних апаратів, усувати проблеми або розподіляти програмні оновлення між окремими супутниками.
Переваги автономії космічних апаратів
Підвищена автономія робить операції зграї у дальньому космосі реальними – замість того, щоб вимагати взаємодії космічних апаратів з їхньою віддаленою локацією і Землею, що може займати хвилини чи години залежно від відстані, програмне забезпечення DSA з підтримкою PLEXIL надає зразкам можливість ухвалювати рішення спільно з метою оптимізації місії та зменшення навантаження.
Щоб зрозуміти масштаби DSA, команда використала наземні комп’ютери для моделювання зграї вантажних супутників на Місяці. Комп’ютери змоделювали зграю, яка надає послуги з позиціювання, навігації та синхронізації на Місяці, подібно до GPS-сервісів на Землі, які покладаються на мережу супутників для визначення позицій.
Команда DSA провела майже сто тестів протягом двох років, демонструючи зграї різних розмірів на високих і низьких орбітах Місяця. Уроки, отримані з цих ранніх тестів, стали основою для подальших досліджень масштабу. Другий етап тестування, запланований на 2026 рік, покаже ще більші зграї, використовуючи льотні комп’ютери, які згодом можуть вийти на орбіту з програмним забезпеченням DSA на борту.
Орбітальні та моделювальні тести DSA відкривають шлях до більш широкого використання розподіленої автономії серед космічних зграїв. Розробка і перевірка цих технологій підвищують ефективність, знижують витрати і покращують можливості NASA, відкриваючи двері для автономних космічних зграїв, що підтримують місії до Місяця, Марса та далі.
