Ученые Самарского университета создают алгоритм "критического мышления" для наноспутников

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П.Королева разработали и изготовили прототип интеллектуальной системы управления для наноспутников. Созданный ими единый комплекс управления, навигации и связи (КУНС) сможет в различных нештатных ситуациях на орбите принимать самостоятельные решения на основе заложенных в него алгоритмов. Работы выполняются в рамках гранта Российского научного фонда (РНФ). По замыслу ученых, "электронный интеллект" на борту спутника повысит надежность работы космического аппарата, а также удешевит его электронную начинку. 

Большинство наноспутников сталкиваются с неполадками бортовых систем еще в первый год работы на орбите. Миниатюрный размер таких космических аппаратов не дает возможности для резервирования жизненно важных систем. Поэтому сбой в одной из них способен полностью вывести из строя миниатюрный спутник.

"Обычно бортовые системы наноспутников — навигационный приемник, приемопередатчик, система энергопитания и другие — функционируют по отдельности, у каждой свои контроллеры, которые управляются автономно. Мы же решили их связать в единый комплекс, который постоянно сравнивает и оценивает их состояние. Он способен принимать самостоятельные решения на основании совокупности всех измерений согласно заложенным алгоритмам", — рассказал руководитель проекта, доцент межвузовской кафедры космических исследований Самарского университета Андрей Крамлих. 

Тем не менее, по словам Крамлиха, все многообразие возможных ситуаций заложить в "электронный мозг" в виде готового дерева решений затруднительно, поэтому учёные предложили подход, основанный на использовании избыточного состава измерительных средств и гибкого алгоритмического обеспечения. 

С помощью лабораторных экспериментов, проводимых в университетском Центре испытаний и отработки наноспутников (ЦИОН), ученые закладывают возможные ошибки, которые влияют на измерительные средства. В ходе наземной отработки каждому измерительному средству присваивается коэффициент, названный учеными "коэффициентом достоверности измерений". 

"Бортовая машина критически оценивает всю получаемую информацию и самостоятельно принимает решения, какие данные использовать, а какие исключить из решения. Если она "поймет", что такой-то датчик "привирает", она понизит ему коэффициент достоверности и заместит его измерения данными других систем полностью или частично, — отметил Крамлих. — Когда количества измерений недостаточно, комплекс может сам принять решение, с какой точностью решать задачу. Если компьютеру это удается, он это решение запоминает. Если же он не сможет сам справиться с возникшей ситуацией, то информация передается на Землю. Здесь мы можем проанализировать проблему и смоделировать возможное решение. Новый алгоритм и значения "коэффициентов достоверности измерений" будут загружены в бортовой компьютер при очередном сеансе связи. Если потом возникнет похожая ситуация, то компьютер сможет это решение воспроизвести".

Заложенные в КУНС модели алгоритмов и коэффициенты будут также учитывать "старение" компонентов бортовых систем под воздействием факторов космического полета — например, характеристики датчиков системы спутника с течением времени становятся хуже первоначально заявленных производителем, в системе накапливаются ошибки, панели солнечных батарей постепенно деградируют из-за метеорной эрозии, радиационного излучения и других факторов космического пространства. 

Разработчики КУНС предусмотрели решение и на случай отказа бортового компьютера — тогда часть его задач могут рассчитываться на контроллерах навигационного приемника.

Создаваемый комплекс управления, навигации и связи не является узкоспециализированным, и в перспективе его можно будет применять на спутниках различного типа. По мнению ученых, их технология открывает возможность создания массовых платформ для космических аппаратов нанокласса. Предложенный ими метод алгоритмической компенсации позволит добиться достаточной надежности наноспутников без использования специальной радиационностойкой элементной базы, стоимость которой на порядки превышает цену стандартных электронных компонентов. 

Ожидается, что первым заданием для наноспутника с КУНС станет участие в проекте консорциума российских университетов по изучению ионосферы Земли. "Первый эксперимент, который мы хотим провести с помощью нашего комплекса управления, навигации и связи — это проект по изучению ионосферы Земли. Мы хотим, чтобы наш комплекс был установлен на борту наноспутника, над которым сейчас работает наш коллектив, и надеемся, что в 2021 году мы сможем испытать комплекс в реальных полетных условиях", — отметил Крамлих.

Фото: Виктория Виноградова