Астронавты, живущие и работающие на Луне и Марсе, будут полагаться на спутники для обеспечения таких услуг, как навигация, метеорология и ретрансляция связи. Автоматизация спутниковой связи позволит исследователям сосредоточиться на критически важных задачах, а не на ручном управлении спутниками.
Длительные космические миссии потребуют взаимодействия между системами на Земле и других планетах. Спутники, вращающиеся вокруг Луны, Марса или других отдалённых областей, сталкиваются с задержками связи с наземными операторами, что может ограничивать эффективность их миссий.
Решение заключается в проекте распределённой автономности космических аппаратов (DSA), возглавляемом Исследовательским центром Эймса НАСА в Силиконовой долине в Калифорнии. Этот проект тестирует, как общая автономность в рамках распределённых космических миссий делает группы спутников более способными к самостоятельным исследованиям и обслуживанию, принимая решения и адаптируясь к изменениям с меньшим вмешательством человека.
Добавление автономности спутникам делает их способными предоставлять услуги без ожидания команд от наземных операторов. Распределение автономности между несколькими спутниками, работающими как рой, даёт космическим аппаратам «общий мозг» для достижения целей, которые они не смогли бы достичь в одиночку.
Программное обеспечение DSA, разработанное исследователями НАСА, предоставляет рою список задач и учитывает различные перспективы каждого космического аппарата — что он может наблюдать, каковы его приоритеты — и объединяет эти перспективы в оптимальный план действий для всего роя. Этот план поддерживается деревьями решений и математическими моделями, которые помогают рою решать, какое действие предпринять после выполнения команды, как реагировать на изменение или решить проблему.
Первый космический демонстрационный проект DSA начался на борту роя космических аппаратов Starling — группы из четырёх малых спутников, демонстрирующих различные технологии роя. Эксплуатируемые с июля 2023 года, миссия Starling продолжает предоставлять платформу для тестирования и проверки автономных операций роя.
Рой Starling впервые использовал DSA для оптимизации научных наблюдений, решая, что наблюдать, без предварительно запрограммированных инструкций. Эти автономные наблюдения позволили получить измерения, которые могли быть пропущены, если бы оператору пришлось индивидуально инструктировать каждый спутник.
Рой Starling измерил содержание электронов в плазме между каждым космическим аппаратом и спутниками GPS, чтобы зафиксировать быстро меняющиеся явления в ионосфере Земли — там, где атмосфера Земли встречается с космосом. Программное обеспечение DSA позволило рою независимо решать, что изучать и как распределить рабочую нагрузку между четырьмя космическими аппаратами.
Поскольку каждый космический аппарат Starling работает как независимый член роя, если один член роя не смог выполнить свою работу, остальные три члена роя могли среагировать и выполнить задачи миссии.
Демонстрация Starling 1.0 достигла нескольких первых результатов, включая первую полностью распределённую автономную работу нескольких космических аппаратов, первое использование межспутниковой связи для автономного обмена информацией о состоянии между несколькими космическими аппаратами, первую демонстрацию полностью распределённых реактивных операций на борту нескольких космических аппаратов, первое использование общей системы автоматизированного логического вывода на борту космического аппарата и первое использование полностью распределённого автоматизированного планирования на борту нескольких космических аппаратов. Эти достижения заложили основу для Starling 1.5+, продолжающегося продолжения миссии роя спутников с использованием DSA.
После успешной демонстрации DSA на Starling 1.0 команда начала изучать дополнительные возможности использования программного обеспечения для поддержки работоспособности и эффективности роя спутников. Продолжающееся тестирование DSA в рамках расширенной миссии Starling включало PLEXIL (Plan Execution Interchange Language), разработанный НАСА язык программирования, предназначенный для надёжной и гибкой автоматизации сложных операций космических аппаратов.
На борту Starling приложение PLEXIL продемонстрировало автономное техническое обслуживание, позволяя рою управлять обычными операциями космических аппаратов, устранять неполадки или распространять обновления программного обеспечения на отдельные космические аппараты.
Расширенная автономность делает возможной работу роя в глубоком космосе — вместо того чтобы требовать от космических аппаратов связи между их удалённым местоположением и Землёй, которая может занимать минуты или часы в зависимости от расстояния, программное обеспечение DSA с поддержкой PLEXIL даёт рою возможность принимать совместные решения для оптимизации своей миссии и снижения рабочей нагрузки.
Чтобы понять масштабируемость DSA, команда использовала наземные бортовые компьютеры для моделирования лунного роя виртуальных малых космических аппаратов. Компьютеры смоделировали рой, предоставляющий услуги определения местоположения, навигации и синхронизации на Луне, аналогично услугам GPS на Земле, которые зависят от сети спутников для определения местоположения.
Команда DSA провела почти сто тестов за два года, демонстрируя рои разных размеров на высоких и низких лунных орбитах. Уроки, извлечённые из этих ранних тестов, заложили основу для дополнительных исследований масштабируемости. Второй раунд тестирования, запланированный на 2026 год, продемонстрирует ещё более крупные рои с использованием бортовых компьютеров, которые впоследствии могут быть выведены на орбиту с программным обеспечением DSA на борту.
Орбитальные и моделируемые испытания DSA — это стартовая площадка для более широкого использования распределённой автономности в роях космических аппаратов. Разработка и проверка этих технологий повышают эффективность, снижают затраты и расширяют возможности НАСА, открывая дверь для автономных роёв космических аппаратов, поддерживающих миссии на Луну, Марс и за её пределы.
Предоставлено:
[НАСА](https://phys.org/partners/nasa/)
[NASA](http://www.nasa.gov/home/index.html)