Маневр с уклонением: в России создали систему защиты космических аппаратов от столкновений на орбите
По мнению специалистов «Сколково», искусственный интеллект способен решить проблему «орбитальных ДТП».
Столкновения на орбите — одна из главных проблем мировой космонавтики, над решением которой бьются лучшие специалисты. Угроза «орбитальных ДТП» растет год от года вместе с ростом объемов космического мусора. Между тем в России создали систему на основе искусственного интеллекта, которая может стать надежной защитой для космических аппаратов от подобных столкновений. Подробности об уникальной разработке специалистов «Сколково» выясняли «Известия».
Небезопасная орбита
По словам экспертов, сегодня техногенное засорение околоземного пространства растет невиданными темпами. За последние пару лет в мире было запущено столько же космических аппаратов, сколько за всю космическую эру, начиная с 1957 года. И это активное освоение несет с собой новые риски.
Самым ярким примером «орбитальных ДТП» за последнее время стало столкновение двух искусственных спутников «Космос-2251» и «Iridium 33» над полуостровом Таймыр в 2009 году. Американский и российский спутники весом 600 и 900 кг столкнулись во время вращения вокруг Земли на относительной скорости свыше 10 км/с и полностью разрушились. В результате образовалось около 600 обломков.
— И это будет продолжаться, поскольку вывод на орбиту становится и доступнее, космические аппараты становятся меньше. Все это в совокупности с коммерциализацией приведет к тому, что низкая околоземная орбита будет плотно заселена космическими аппаратами, которые рано или поздно выйдут из строя и превратятся в мусор, — рассказывает генеральный директор и сооснователь Тензор Лаб (резидент «Сколково») Денис Зеленов.
Как поясняет эксперт, столкновения в космосе происходят в случае пересечения двух или более космических орбит. Обычно их причиной становится неуправляемость объектов и недостаточность знаний о развитии ситуации.
— Если вы посмотрите на воздушное движение — там оба объекта управляются. В авиации над предотвращением столкновений работают диспетчеры, пилоты, системы предупреждения столкновений. Совокупность знаний и действий позволяет избегать столкновений доже при очень плотном воздушном траффике. А в космосе, как правило, один объект управляем, — тот, который защищается, в том числе и нашими усилиями, а второй — нет. Высокие скорости потенциального столкновения (часто, 9-12 км/с) заставляют решать задачу заранее. Она решается с использованием разных подходов. Наш подход выстроен на предсказательной аналитике (это помогает прогнозировать что может появиться на траектории движения космического объекта) и повышения точности прогноза движения космических объектов с использованием машинного обучения с подкреплением это позволяет автоматизировать процессы и обеспечивает возможность заранее предпринимать какие-либо действия, — говорит собеседник «Известий».
При столкновении предметы разбиваются на фрагменты, которые летят по уже своим траекториям, неся угрозу для космических аппаратов. И это, по словам эксперта, создает серьезный риск того, что неуправляемых объектов станет слишком много — и обеспечить доступ в околоземное космическое пространство будет все сложнее.
— Впоследствии это может даже привести к тому, что будет достаточно сложно вывести аппарат на заданную орбиту выше, чем эта сферическая скорлупа техногенного происхождения, — говорит Зеленов.
По словам старшего проектного менеджера кластера передовых производственных технологий Фонда «Сколково» Ивана Косенкова, именно в связи с экспоненциальным ростом количества космических объектов работа в области ситуационной осведомленности в космосе с каждым годом приобретает все большее значение.
— С развертыванием таких многоспутниковых связных группировок, как SpaceX, OneWeb и других, околоземная орбита становится все более сложной для работы средой. Именно поэтому сервисы, направленные на повышение безопасности операций в космическом пространстве, становятся все более актуальными, — объясняет Косенков.
В поисках решения
Сегодня в России действует автоматизированная система предупреждения об опасных ситуациях в околоземном космическом пространстве (АСПОС ОКП), которая может отслеживать и прогнозировать движение объектов и оперативно предупреждать об опасностях. Однако после этого оператор остается один на один с предупреждением и решает, предпринимать ли ему какие-то действия.
— В ручном режиме (то есть, при текущем подходе) принимать решения по проведению маневров предотвращения столкновений для сотен космических аппаратов при постоянно меняющемся информационном контексте невозможно, но это вполне под силу искусственному интеллекту, — говорит СЕО Tensor Lab.
Компания, которую возглавляет Денис Зеленов, занимается поисками решения проблемы орбитальных столкновений с момента своего создания в июле 2021 года. Сам СЕО Tensor Lab — кандидат технических наук, за плечами которого 16 лет работы в «Роскосмосе». Второй основатель компании, Андрей Устюжанин, кандидат физико-математических наук, заведующий лаборатории методов анализа больших данных НИУ ВШЭ. В команду Tensor Lab входят специалисты по машинному обучению, баллистике и построению архитектуры программных решений. Мы создаем сервисы по предотвращению столкновений в околоземном космическом пространстве на основе искусственного интеллекта, которые, по словам Дениса Зеленова, помогут решить проблему космических столкновений.
— Наша разработка призвана упростить жизнь операторов: она вырабатывает определенный алгоритм действий, который автоматически находит наилучший вариант маневра с учетом контекста ситуации. Решения могут быть интегрированы как в НКУ (наземный комплекс управления КА), так и на борт космического аппарата, — объясняет он.
В основе решения лежит обучаемый искусственный интеллект (ИИ), который занимается двумя сложными задачами: уточнением прогноза движения космических объектов (именно он уменьшает возможность возникновения ошибки) и предиктивной аналитикой того, что будет происходить по треку движения космического аппарата. ИИ ищет лучшие маневры, исходя из контекста ситуации: в одном случае важно сэкономить топливо, в другом —выполнить целевую задачу, в третьем — гарантировать стопроцентное избежание столкновения, а в четвертом — передать информацию на Землю. В зависимости от контекста эта задача будет автоматизирована с использованием технологии машинного обучения.
— С нашей точки зрения, все космические аппараты, которые выводятся на орбиту после определенного года, должны обладать такими системами безопасности. В первую очередь — с целью предотвращения столкновения. Если все запускаемые объекты будут обеспечены такими системами, то, конечно, риск значительно снизится. Сейчас же он растет пугающими темпами, — отмечает СЕО Tensor Labs.
Уникальность технологии
По словам Дениса Зеленова, толчком для проведения исследований Tensor Labs стало отсутствие эффективных решений по предотвращению космических столкновений. Для проверки жизнеспособности технологии компания разработала прототип, подтвердивший ее потенциальную эффективность в 68% случаев опасного сближения с объектами на орбите.
— На тестовых данных, сгенерированных программой, удавалось одним маневром парировать до 10 последующих опасных ситуаций на недельном интервале, что подтверждает инновационность нашего подхода — так пока не делает никто, — рассказывает собеседник «Известий». — А активное развитие средств мониторинга околоземного космического пространства, данные которых являются исходными для нашего продукта, будет способствовать повышению уровня конкурентоспособности на мировом рынке космических услуг.
Как отмечает эксперт, российское решение использует методы градиентной и численной оптимизации, вероятностного программирования и машинного обучения для настройки расчета безопасных маневров космического аппарата.
— Метрики оценки качества работы системы «Космический маршрут» включают в себя удержание в заданном интервале характеристик движения центра масс космического аппарата (КА) без превышения порога вероятности столкновения в течение недели после завершения предлагаемого маневра, скорость выполнения расчетов, степень автономности КА, количество парируемых опасных ситуаций за один маневр, а также возможность выполнения целевой задачи КА при их парировании, — рассказывает эксперт.
Сама система построена из модулей — это позволяет по мере надобности менять компоненты и методы оценки вероятности столкновения, а также задавать различные процедуры принятия решений. Говоря другими словами, она может быть адаптирована практически для любого типа КА и различных орбит их движения.
— Так, для вычисления маневров уклонения планируется использовать данные о расположении КА в околоземном космическом пространстве и подходы моделирования с использованием технологий искусственного интеллекта и вероятностного программирования для поиска наиболее эффективных действий, — говорит Денис Зеленов.
По его словам, решения Tensor Lab — это набор программных комплексов, которые могут быть интегрированы в систему управления любого космического аппарата — в его наземный или бортовой сегменты. Один из комплексов, «Тензор. Прогноз» уже зарегистрирован в ФИПС.
— Мы уже сейчас готовы проанализировать маневры МКС, которые, как известно, определяются международной группой специалистов и зависят от контекста ситуации. На наш взгляд, решение от Tensor Lab позволит сохранить космическое пространство для будущих поколений. Очень важно относиться к нему бережно, — заключает собеседник «Известий».
Источник: iz.ru