Как модуль Raven NASA разрабатывает алгоритмы машинного обучения для стыковки автономных космических аппаратов
Ворон, навигационная система на борту МКС, может вскоре позволить НАСА построить автономную систему, способную обслуживать свои космические аппараты и дозаправлять их в полете.
Как спутники получают необходимое обслуживание, чтобы продолжать функционировать "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/satellite_docking_1.jpg" />
В современных методах стыковки требуется некоторый элемент ручного ввода с использованием камерных каналов, подобных приведенным выше (с 2014-й поставки стыковки с МКС). Изображение предоставлено NASA
Однако автономные стыковки рандеву - это легко сделать.
Подумайте о двух транспортных средствах, путешествующих 16 000 миль в час в темноте пространства. Предположим, что обслуживающий автомобиль, который несет топливо, постоянно приближается к клиентскому транспортному средству (судно, «преследуемое»), которое заканчивается топливом. Поскольку 99% всех спутников, работающих в космосе, не предназначены для обслуживания в полете, на клиенте нет маркировки, чтобы облегчить сближение.
Более того, эти транспортные средства, как правило, далеки от Земли, и задержки связи значительны. Это означает, что наземные операторы не могут выдавать быстрые и точные команды для предотвращения столкновений и иметь гладкую стыковку с клиентом. В результате, сервис-менеджер должен самостоятельно отслеживать клиента и добиваться рандеву самостоятельно.
NASA работает над созданием датчиков, алгоритмов обработки изображений и высокоскоростных авионистов с пространственным рейтингом, чтобы они могли отслеживать, сопоставлять скорость с и док-станцией с целевыми транспортными средствами.
Технология Raven - это большой шаг вперед в деле создания независимого космического рандеву.
Как будут продвигать алгоритмы ворона?
Raven - это технологический модуль, предназначенный для тестирования и продвижения технологий, необходимых для обслуживания орбитальных космических аппаратов. Он собирает информацию о данных датчиков и алгоритмах машинного обучения и обрабатывает его, чтобы предоставить информацию инженерам на Земле.
Ворон поможет ученым разработать алгоритмы оценки, которые необходимы для роботизированного подхода и стыковки с орбитальным спутником и обеспечения обслуживания в полете. Ворон был Ворон был отправлен на МКС (Международная космическая станция) в конце февраля, достигнув своего назначения 23-го. Во время двухлетней миссии будет иметь возможность наблюдать около 50 траекторий от рандеву с космического корабля или слета с МКС.
Модуль Raven. Изображение предоставлено NASA
Ворон будет наблюдать все посещаемые транспортные средства с расстояния почти в 1 км и собирать данные о траектории движения транспортного средства с расстоянием до расстояния примерно 20 метров. Эти наблюдения будут использоваться для продвижения требуемых алгоритмов реального времени. Поскольку данные получены из нескольких разных транспортных средств, можно будет понять чувствительность разработанных алгоритмов к изменениям размеров и формы транспортных средств. Поскольку по крайней мере пять стыков рандеву будут наблюдаться для каждого транспортного средства, ученые смогут разработать статистику, которая может предсказать эффективность алгоритмов для определенного размера и формы транспортного средства.
Установка и калибровка системы
После установки Raven на МКС операторы Raven будут проверять все пути команд, телеметрии и данных. Затем, чтобы проверить датчики и откалибровать систему, наземные операторы будут перемещать датчики туда, где они могут видеть Землю, МКС и уже пристыкованные транспортные средства.
За один день до того, как автомобиль приближается к МКС, операторы начнут проверять различные модули Raven, такие как процессор, программное обеспечение или обновления прошивки, двухосный карданный вал и датчики. Затем датчики будут ориентированы на автомобиль для посещения, и алгоритмы обработки зрения будут проводиться, как только транспортное средство находится в пределах 1 км от МКС. Система может использовать разные уровни автономии, чтобы удерживать датчики, указывающие на транспортное средство.
Местоположение Ворона на МКС. Изображение предоставлено программой космических испытаний DoD через eoPortal Directory
Какое оборудование понадобится ворон?
Raven проверит множество датчиков, таких как видимая камера с переменным полем зрения, длинноволновой инфракрасной камерой и коротковолновой вспышкой LiDAR. Данные этих датчиков будут собираться на расстоянии не более 100 метров и со скоростью до 1 Гц. Так как датчики будут установлены на станции, а не на каждом гостевом автомобиле, можно будет повторно использовать оборудование для большого количества миссий и значительно снизить затраты.
В дополнение к продвижению алгоритмов и тестированию датчиков, Raven также рассмотрит, достаточно ли обычного аппаратного пакета для выполнения различных операций рандеву. Эти операции включают стыковку с кооперативной мишенью и посадку на неравномерный астероид.
Модель САПР ворона показана на следующем рисунке. Как показано на этом рисунке, у Raven есть корпус датчика, который содержит все его датчики, такие как оптические датчики и тепловые помещения, включая нагреватели, термостаты и термисторы.
Модель САПР, иллюстрирующая различные датчики и подсистемы Ворона (слева) и аппаратуру полета с корпусом датчика и GSE (оборудование для поддержки площадки) (справа). Изображение предоставлено NASA
На следующем рисунке показаны три датчика Raven: VisCam, IRCam и Инерционный измерительный блок (IMU).
ИДУ содержит три гироскопа MEMS, три акселерометра MEMS и три инклинометра. Ворон использует отдельный температурный датчик для каждого из этих гироскопов, акселерометров и инклинометров. Таким образом, система может принимать во внимание температурные вариации и более точно интерпретировать показания других датчиков.
Оптическая скамья Raven. Изображение предоставлено NASA
Как показано в модели САПР выше, вспышка LiDAR установлена на передней панели корпуса датчика. В режиме вы можете видеть передающую и приемную оптику вспышки LiDAR. Вспышка LiDAR освещает объекты и анализирует отраженный свет, чтобы найти расстояние от отражающей поверхности. Ворон способен делать это со скоростью до 30 Гц.
Кроме того, LiDAR использует оптический переключатель для переключения между 20 или 12-градусным передающим FOV. Это может значительно увеличить отношение сигнал / шум в показаниях LiDAR.
Модель SpaceCube 2.0 Engineering - это блок обработки ворона. В нем используются три FPGA Xilinx Virtex-5, в которых один из этих ПЛИС действует как главный контроллер платы, а два других - это хост для запуска конкретных программ, которые реализуют программное обеспечение Raven Flight.
Воронский научный информационный процессор. Изображение предоставлено NASA
По словам Бена Рида, заместителя директора отдела по SSPD в Центре космических полетов Goddard NASA в штате Мэриленд, автономное рандеву имеет решающее значение для будущих миссий NASA, и Raven созревает в этой технологии никогда ранее.
Более подробное объяснение технологии см. В технической статье NASA о Raven.