SATELITE DE INTELIGENCIA ARTIFICIAL DE LOS EEUU UFO 1

Las pruebas de inteligencia artificial
Por satélite : mando y control
CAPT (Sel) G. Randall Seftas, Naval de los Estados Unidos de Reserva
Marina Space Systems Division, Washington, DC
Misión de Operaciones y Sistemas de la División de Desarrollo
Goddard Space Flight Center, Greenbelt, MD

Resumen

El presente documento responde a un concepto para el ensayo y evaluación de la automatización, la robótica y la inteligencia de la máquina (que comúnmente se conoce como inteligencia artificial (AI)) para el mando y el control de los sistemas espaciales. El uso de la IA para las operaciones de una misión para reducir costos ha sido propuesto y aplicado (aunque poco) durante los últimos veinte años, pero nunca ha sido plenamente aceptado por los operadores de satélites o directores de proyectos. Varias razones para ello "no aceptación", pero una de las razones se considera primordial. El factor de riesgo en la utilización de herramientas de IA es demasiado alto. La industria espacial rutinaria realiza pruebas de naves espaciales de hardware y software para reducir el riesgo, y ha invertido importantes capitales en desarrollo extraordinario de instalaciones para certificar que un vehículo espacial esta listo para la misión . Hasta ahora, ninguna de estas instalaciones se dispone para la realización de pruebas AI sus herramientas y aplicaciones, hasta el desarrollo de la nave espacial Laboratorio de Inteligencia Artificial (SAIL). SAIL está poniendo en práctica una capacidad para poner a prueba las herramientas de IA en una manera plenamente funcional, en órbita de las naves espaciales. Dado que la prueba de la nave espacial fue el primer vuelo en una constelación de diez, un operativo de referencia se está estableciendo de los operadores humanos para el control de las nueve restantes naves espaciales . Validación de AI solicitudes será realizada por una medición de la herramienta de AI contra la ejecución operativa de referencia.

Introducción

Hace diez años el Goddard Space Flight Center (GSFC) organizó una conferencia sobre la inteligencia artificial. Uno de los objetivos de esta conferencia es promover la utilización de tecnología de IA en las naves espaciales y experimentar el mando y control, y sistemas de planificación de misiones. Numerosos documentos técnicos se presentaron (la mayoría de los cuales se dirigió a la utilización de sistemas expertos), que proporcionaron una visión de futuro para las operaciones realizadas con satélites. Sin embargo, muy pocas, si alguna de estas ideas formuladas en el entorno operativo. Hoy en día, no hay un solo satélite al mando y el control de GSFC que no requiere intervención humana sustancial, por lo que podría ser fácilmente sostuvo que AI ha tenido un impacto mínimo en los últimos diez años en el espacio sistema de las operaciones de la misión.

Fondo

Ref. 1 establece que los "elementos principales de las operaciones de la misión son un equipo de operadores de mando y control de la nave espacial de autobuses y su carga útil, los planificadores de traducir las necesidades en las actividades operacionales, y un equipo de ingenieros para mantener sana la nave espacial y cumplir con los datos de los usuarios y sus necesidades ". Sin duda, es razonable esperar que la constante referencia a los operadores humanos en la explicación anterior para las operaciones de la misión, sobre todo teniendo en cuenta la automatización y la máquina de inteligencia se ha utilizado con moderación para que en los sistemas espaciales operativos. También es razonable esperar que, cuando las operaciones de la misión funciones se han automatizado, se ha hecho hincapié en que los operadores de mando y control de la nave espacial de autobuses y su carga útil. Sin embargo, como se ha indicado anteriormente, hay tres elementos principales de las operaciones de la misión y para lograr el noble objetivo de una misión totalmente automatizado centro de control, todas las funciones de los principales elementos tendrán que ser automatizado. Teniendo en cuenta que las herramientas de IA (al igual que los seres humanos) realizan algunas tareas, y otros no tan bien, nuestro concepto es el desarrollo individual AI aplicaciones de software para realizar funciones específicas y, a continuación, integrarlos en el terreno global de software de sistema.

Generic elementos funcionales (GFE) de las operaciones de la misión

Los sistemas espaciales desempeñan una variedad de misiones, incluidas las comunicaciones, navegación, observación de la Tierra, etc, y estas misiones se llevan a cabo con muy diversos niveles de sofisticación. Lo mismo puede decirse en relación con la órbita plataformas utilizado para ejecutar esas misiones. Vehículo espacial, o constelaciones de las naves espaciales varían mucho en sus diseños, desde los pequeños satélites de comunicaciones diseñado para almacenar y enviar mensajes electrónicos a gran escala, los observatorios orbitales. Aunque los tipos de misiones y la sofisticación de los diseños de naves espaciales varían, las funciones necesarias para la ejecución de las misiones y mantener un vehículo espacial, la salud y el estado son relativamente genéricos. Ref. 1 ha definido los elementos principales de las operaciones de la misión como: (1) Planificación de Misiones, (2) capacitación de personal, (3) Vehículo espacial y Operaciones (4) Ingeniería de Apoyo. El enfoque de este documento se refiere a la automatización de las operaciones de la misión con funciones de inteligencia artificial, por lo tanto, la capacitación del personal no se tratan en este capítulo.

Planificación de Misiones - incluye funciones genéricas tales como la programación de la estación terrestre de apoyo, lo que genera archivos de comandos, la generación de efemérides y la estrella de cargas, gestión de recursos a corto plazo y el apoyo a corto fusible requisitos, tales como la observación de objetivos de oportunidad.

Vehículo espacial Operaciones - funciones típicas incluyen el mando de la nave espacial, subsistemas de seguimiento, la gestión de cargas útiles, la gestión de dispositivos de grabación de datos, recuperación de datos de la carga útil y la solución de anomalías menores relativamente corto con mechas.

Apoyo Técnico - incluye funciones tales como maniobra de planificación, la gestión de los subsistemas, la gestión de los recursos a largo plazo, la solución de importantes anomalías, y analizar las tendencias de las naves espaciales

"Las presiones del mercado"

¿Por qué ahora? Con un buen historial de funcionamiento de los sistemas espaciales de más de treinta años con un mínimo de fracasos, ¿por qué hay tantos profesionales de la industria espacial ahora llamando a los ordenadores para hacer lo que los seres humanos lo han hecho efectivamente en el pasado. Para pedir prestada una frase de la comunidad económica, estamos respondiendo a las presiones del mercado actual.

La reducción de Presupuestos

Tanto el Departamento de Defensa (DoD) y la Administración Nacional Aeronáutica y Espacial (NASA) han experimentado reducciones considerables en sus presupuestos operativos en los últimos cinco años, al igual que muchas empresas aeroespaciales que compiten en el sector comercial. Con los actuales limitaciones fiscales y de mañana los presupuestos proyectados, es totalmente inaceptable para las operaciones de la misión de dar cuenta de una parte importante de un sistema espacial de los costes del ciclo de vida.

Organizaciones más pequeñas

Las organizaciones son la gestión de forma diferente, a los empleados un mayor control sobre su "destino profesional" y la eliminación de capas de gestión. El foco en la calidad y el trabajo en equipo ha dado lugar a la eliminación de la redundancia y la duplicación de esfuerzos, lo que permite mayores niveles de productividad que deben alcanzarse. El futuro personal de las operaciones de la misión se verán obligados a ser menor porque habrá una pequeña piscina de talento para sacar de dentro de una organización.

Una mayor demanda

Con la explosión de dispositivos de comunicación personal (PCDs), una mayor dependencia en el espacio basado en los sistemas de navegación y la reciente disponibilidad de imágenes de alta resolución desde el espacio, la demanda de servicios por satélite nunca ha sido mayor. Ahora funcionan las constelaciones de las naves espaciales ese número en los años veinte, e. g., el Sistema de Posicionamiento Global, y un futuro programa de PCD es la proyección que tendrá más de sesenta satélites en su constelación. Operativo sesenta satélites utilizando la actual mano de obra modelos de gran demanda del personal operativo, un lujo que no será viable si el negocio es PCD a la rentabilidad.

Mayor número de puntos de datos

Como las naves espaciales y los enlaces de telecomunicaciones se han convertido en más sofisticados, el número de puntos de telemetría también ha aumentado espectacularmente. Control de tiempo real de telemetría de los operadores humanos para una nave espacial con más de 10000 puntos de telemetría, a todos los efectos prácticos, ser casi imposible y las tendencias futuras son aún más asombrosas. Escaneo mnemotécnicos en una página y analizar las tendencias mentales de los distintos parámetros de telemetría se están convirtiendo rápidamente en herramientas difícil de manejar en el espacio moderno sistema de las operaciones de la misión.

Conocimiento Corporativo

El Telescopio Espacial Hubble (HST) tiene una misión de toda la vida de quince años. El equipo de operaciones para este proyecto fue originalmente reunidos en Goddard Space Flight Center en 1982. HST se inició en 1990, por lo que su vida operativa se espera que se extenderá hasta el 2005. Si uno de los miembros originales de la misión equipo de operaciones permaneció en el HST proyecto hasta que fue terminado, él o ella habría gastado aproximadamente 23 años de su carrera en este único proyecto. Consciente de que ese escenario es poco realista, los directores de proyectos tendrán que aceptar el hecho de que cada vez que un cambio de personal se lleva a cabo en el entorno actual, algunas empresas el conocimiento se perderá en el proceso. La causa de preocupación en este caso es que por el momento HST se encuentra en su último año de actividades y el funcionamiento no con sistemas redundantes, las empresas los conocimientos suficientes para seguir siendo la nave espacial fiable que la producción de alta calidad la ciencia datos?

Cambio de la Cultura

Como se discutió, AI aplicaciones se han considerado para el mando y el control de los sistemas espaciales por lo menos diez años. ¿Por qué entonces ha habido tan poco movimiento en esa dirección? Parte de la razón es cultural; si algo funciona, ¿por qué cambiarla! En segundo lugar, en la mayoría del espacio se inicia nuevo proyecto no se han articulado los requisitos específicos que demanda el uso de la automatización de máquinas o de inteligencia para las operaciones de la misión.

El elemento humano

Porque los seres humanos son muy flexibles y tener el ingenio para hacer frente a información parcial y novela situaciones, hay casos en que la participación humana es absolutamente necesario, sin embargo, que no infiere que las personas se requieren todo el tiempo. Pilotos de avión que volaba a describir con cariño como "horas y horas de puro aburrimiento, marcados por momentos de terror marcado". Lo mismo puede decirse de las operaciones de naves espaciales, con excepción de la hora factor es más afín al día. Así como la industria de la aviación ha automatizado sistemas de control de vuelo, el espacio las necesidades de la industria para automatizar la rutina, las repetidas operaciones de satélite funciones.

Los seres humanos son de bajo riesgo, pero de alto costo. Es un hecho que los seres humanos pueden operar naves espaciales y hacerlo muy bien. Sin embargo, altamente capacitados ingenieros y científicos son prohibitivos los costes en un entorno fiscal limitada y su talento puede ser mejor utilizado el diseño del futuro en lugar de servir a los presentes, o pasado. La única forma de aliviar estos especialistas altamente capacitados contra el desempeño de las tareas de rutina es a través del uso de la automatización.

Automatización y máquina de inteligencia

Redes neuronales, lógica difusa, caso basado en el razonamiento, el estado de modelado, y los sistemas expertos son ejemplos de la automatización y la máquina de inteligencia. Sistemas expertos se han utilizado para el control operacional de los subsistemas de naves espaciales, como ha estado modelado. Caso de base y el modelo basado en el razonamiento se han utilizado para programar el apoyo del sistema de tierra. Todos han sido un éxito moderado. ¿Por qué entonces los operadores de sistemas espaciales, los ingenieros y directores de proyectos sido tan reacios a utilizar otras herramientas de IA para realizar las operaciones de la misión suplente funciones?

Alto riesgo - aunque la mayoría de aplicaciones de software son relativamente baratos de operar (frente a los seres humanos), su utilización es tan arriesgado que los directores de proyectos no están dispuestos a aceptar su uso para mando y control. La posibilidad de que una herramienta AI enviará el mal comando (s) a una nave espacial completamente invalidante, con mucho el gasto adicional que esto supone el uso de menor riesgo a los seres humanos.

Pruebas y Validación

Vehículo espacial poner sus fabricantes de hardware y software a través de exhaustivas pruebas para reducir el riesgo de que un vehículo espacial no funcionará tal como está establecido, una vez en órbita. Estas pruebas son muy costosas, a menudo requieren instalaciones especiales y aparatos de ensayo (anecoica, vacío y cámaras térmicas, las vibraciones appratus, diseñados especialmente aviones) para simular el entorno espacial. Sin embargo, una vez finalizado, los directores de proyectos son relativamente seguros de que el riesgo de no lanzar una nave espacial-funcional se encuentra en un nivel aceptable. Este proceso suele ser denominado "espacio de cualificación" de la integración y la prueba personal.

Pruebas de hardware

Normalmente, las naves espaciales de vuelo hardware es rigurosamente probado en un entorno lo más cerca posible de lo que la experiencia, al tiempo en órbita. Teniendo en cuenta que nunca podremos reproducir plenamente el medio ambiente espacial (debido a la imposibilidad de simular un casi total vacío y microgravedad condiciones al mismo tiempo), estas pruebas sólo marginalmente probar la funcionalidad de un vehículo espacial de los sistemas. Debido a la flexibilidad operativa proporcionada por el transbordador espacial, un programa se inició a vuelo de prueba de hardware en el vehículo orbital de la bahía de carga, proporcionando así la forma más precisa posible, las pruebas y la prestación de un verdadero "espacio calificación de" vuelo de hardware. Por ejemplo, la tripulación de ayudas y herramientas para el uso de manifiesto en el primer servicio de la misión del Telescopio Espacial Hubble fueron probados en una misión del Transbordador Espacial (STS-51) varios meses antes de la actual misión de reparación.

Software Testing

Terreno del software del sistema está ampliamente probado, también, y en algunos casos, por una organización independiente. Sin embargo, este ensayo se ejecutan normalmente mediante un simulador de satélite, sobre todo si el terreno del software del sistema se escribe para el mando y el control de un solo satélite. Aunque aceptable, usando un simulador de satélite para comprobar la ejecución de software no ofrece la fidelidad que las pruebas que si se llevaron a cabo utilizando un control sobre las naves espaciales en órbita.

Ensayo de una misión espacial del terreno del software del sistema usando un simulador de satélite es aceptable para los directores de proyectos, debido al hecho de que en la mayoría de los casos es el único medio disponible y una vez que la nave espacial real está en órbita, usted tiene los seres humanos en el comando y el control de bucle. Sin embargo, utilizando un simulador de satélite para probar una aplicación de IA que sustituye a los seres humanos en el bucle es sumamente riesgoso e inaceptable para la mayoría de los directores de proyectos. El desafío entonces es encontrar un recipiente adecuado en órbita la nave espacial para probar aplicaciones de la IA, y medir el rendimiento de las herramientas de IA en contra de una línea de base operativa.

La nave espacial artificial

Laboratorio de Inteligencia (SAIL)

SAIL es un conjunto de la Marina / NASA / Industria / Academia proyecto de investigación y desarrollo que utiliza las instalaciones existentes en los EE.UU. Naval Academy (USNA) para probar y evaluar aplicaciones de la IA y las técnicas de mando y control de los sistemas espaciales. SAIL El proyecto es único porque utiliza el UHF Follow-On (OVNI) Vuelo # 1 como una nave espacial en órbita del banco de pruebas, proporcionando los medios para "calificar el espacio" AI solicitudes de satélite de mando y control. Además, puesto que habrá un total de diez naves espaciales OVNI (UFO-1 a través de OVNI-10) en órbita una vez que toda la constelación se pone en marcha, operativo de base se está creando por USAF y USN los controladores de satélites que actualmente presten telemetría, rastreo y comando (TT & C) de los satélites.

En órbita artículo de la prueba

OVNI vuelo # 1 fue lanzada el 23 de marzo, 1993. Debido a una anomalía con experiencia en el vehículo de lanzamiento, la nave espacial no pudo llegar a un órbita geosincrónica con la reserva de combustible especificado para apoyar una útil misión de 14 años. Se consideró no operacional de los EE.UU. y la Marina impulsado a un super-synchoronous órbita. La nave espacial se encuentra actualmente en cerca de una circular, 22925 Nm, 26.055o inclinación de la órbita y tiene una 24 horas, 11 minutos periodo orbital. Por término medio, la nave espacial es visible durante aproximadamente un intervalo de 45 días de la Academia Naval estación terrestre.

El OVNI satélite se basa en la línea de productos de Hughes HS601 de naves espaciales y modular es un perno-junto estructura. Se trata de un cuerpo estabilizado geosincrónica comunicaciones por satélite en la banda de UHF de comunicaciones y tiene cinco subsistemas principales: estructurales, Telemetría y Comando, propulsión, control de actitud, y el Poder.

Interfaz con el suelo es a través de la telemetría y comando (T & C) subsistema. El motivo de enlace ascendente comandos a través de S-BAND Espacio para Ground Segment Link (SGLS) canal 11 o 13. El enlace ascendente se codifica (el sistema de cifrado puede ser mandado fuera de la tierra si es necesario) y es nominalmente de transmisión a 1000 bits / segundo (bps).

Estación Terrena

La mayoría de los centros de control operativo que proporcionan TT & C para los sistemas espaciales son totalmente dedicada a sus misiones específicas. Si el mando y el control de los activos no están siendo utilizados para apoyar en tiempo real las operaciones, entonces se suele utilizar la realización de simulaciones o en el lugar de trabajo formación. Además, los basados en el espacio activo de un proyecto típico suele ser 100% dedicada a la realización de su misión, por lo tanto, poco tiempo cada vez es dedicado a mejorar el mando y el proceso de control o la reducción de costes de las operaciones de la misión. Con una órbita en banco de pruebas disponibles, el reto consistía en encontrar una estación en tierra que era lo suficientemente flexible como para ejecutar la prueba y la misión de evaluación en relación con sus otras misiones.

La Academia Naval de la estación terrestre de satélites de comunicaciones y centro ha estado en funcionamiento y estamos continuamente desarrollando desde 1988. La instalación tiene una doble finalidad:

(1) proporcionar instalaciones de laboratorio en apoyo de la misión de la Academia y

(2) para proporcionar un centro de investigación y desarrollo de instalaciones en apoyo de la Armada.

En consecuencia, la instalación es deliberadamente diseñado para ser altamente versátil y fácilmente adaptable a cualquier tipo de misión espacial. Desde el USNA estación terrestre no es compatible un sistema operativo espacio, la instalación tiene la flexibilidad necesaria para apoyar un continuo ensayo con el OVNI-1 nave espacial cuando se encuentre en vista de la estación terrestre.

Terreno del software del sistema

Debido al tipo de pruebas que el SAIL proyecto es llevar a cabo, se decidió ofrecer una "ventana visual" en el UFO-1 satélite de la situación operacional. Esto se logró mediante dos comerciales fuera de la plataforma (COTS) paquetes de software. La Altair Sistema de Control de Misión de software (desarrollado por Altair Aeroespacial) proporciona la capacidad para controlar los subsistemas utilizando dinámica, bidimensional muestra de OVNI-1 telemetría. Satellite Tool Kit (desarrollado por Analítica

UFO-1 subsistema térmico pantalla gráfica

Graphics, Inc) está siendo utilizado para mostrar un modelo tridimensional de OVNI-1 en su órbita y actitud, y también se actualiza utilizando en tiempo real OVNI-1 telemetría y datos de efemérides. El razonamiento detrás de nuestra "ventana visual" fue motivada por el uso de herramientas de IA en el mando y el control de bucle. En caso de que un instrumento AI casos de mal funcionamiento, el OVNI-1 equipo de operaciones tendrán la capacidad para evaluar con rapidez lo que la nave espacial está haciendo para garantizar que no se haga daño a UFO-1.

OVNI Bloque I simulador de satélite

La Marina Centro de Satélites de Opertions tiene un OVNI Bloque I simulador de satélite que se utiliza actualmente para operaor la formación y la validación de terreno del software del sistema. El proyecto SAIL utilizar este simulador para verificar y validar nuestro terreno del software del sistema y también para poner a prueba la reponses de la gripe aviar bajo condiciones normales de las herramientas y las condiciones de funcionamiento anómalo.

El desarrollo de las tendencias en diseño de herramientas de IA

Desde el inicio del proyecto en agosto de 1995, SAIL los miembros del equipo tienen una interfaz con numerosas organizaciones que en la actualidad la producción de AI para aplicaciones de satélite de mando y control. Una tendencia evidente que ha quedado de manifiesto en relación con el desarrollo de estas aplicaciones de la IA es que se están diseñados para realizar una determinada función de las operaciones de la misión. Por ejemplo, los ingenieros de la Oficina de los conceptos avanzados y tecnología de la NASA's Jet Propulsion Laboratory han desarrollado una herramienta de AI (SELMON) para detectar y aislar a las anomalías en las naves espaciales de sensores de datos (genéricos elemento funcional - la vigilancia de los subsistemas). Ingenieros de la División de Dinámica de Vuelo a Goddard Space Flight Center están produciendo actualmente un sistema automatizado de planificación maniobra herramienta que utiliza la lógica difusa para realizar mantenimiento de rutina órbita ((Generic elemento funcional - maniobra de planificación). Con el advenimiento de stand-alone AI aplicaciones específicas que realizan funciones de las operaciones de la misión, ahora es posible (y preferible) para llevar a cabo ciertas funciones de las operaciones de la misión utilizando aplicaciones modulares AI?

Paquetes de software modular

Una perfecta analogía para describir este concepto de modularidad en las operaciones de la misión por satélite son los comerciales "oficina" paquetes de software. Estos paquetes proporcionan los usuarios de los ordenadores personales con aplicaciones integradas que realizan funciones específicas necesarias para ejecutar una oficina. Por ejemplo, un popular paquete ofrece una aplicación para el tratamiento de textos, una solicitud de telecomunicaciones, una aplicación de base de datos, una aplicación de hoja de cálculo, una aplicación de gráficos y una herramienta de gestión de proyectos, todos integrados de modo que la información sea fácilmente compartida entre las aplicaciones. El mismo paradigma se puede utilizar para integrar las aplicaciones de IA en los sistemas de satélite en tierra. Standalone AI aplicaciones podrían ser integrados en un espacio específico de la misión del sistema de terreno, que servirá como medio a través del cual el pasado modular de aplicaciones y datos compartidos. La capacidad autónoma se hubiera conseguido con la rigurosa prueba de cada AI aplicación y verificación de sus capacidades mediante el uso establecido sobre la base de las cifras de rendimiento humano.

Este concepto de modularidad que proporcione los directores de proyectos con mayor flexibilidad que existe actualmente en la ejecución de las operaciones de la misión. Según el nivel de sofisticación de cualquiera de las naves espaciales o de su misión (así como las operaciones de los fondos disponibles), AI herramientas pueden ser combinadas para automatizar totalmente las operaciones de la misión o su uso en conexión con los seres humanos en parte a reducir los niveles de dotación. El grado de ejecución estaría supeditada únicamente en el nivel de riesgo que un determinado director del proyecto estaba dispuesto a aceptar.

Conclusión

La demanda de servicios por satélite seguirá aumentando en un futuro próximo, lo que requiere más sofisticadas naves espaciales y misiones para satisfacer la demanda. Como la nave espacial en órbita el tiempo aumenta, también lo hace el porcentaje de operaciones con el total de gastos del coste del ciclo de vida. En el presente las operaciones de la misión cultura depende en gran medida de participación humana en condiciones de seguridad para ejecutar las misiones espaciales, que añade que el costo de hacer negocios en el espacio.

La solución obvia para la reducción de costes de las operaciones de la misión es a través del uso juicioso de la automatización, máquina de inteligencia y la robótica, sin embargo, estos instrumentos deben ser cuidadosamente probados y verificados antes de los gestores de los proyectos será la certeza de que su uso no es demasiado arriesgado.

Una instalación dedicada al ensayo y evaluación de herramientas de inteligencia artificial y aplicaciones de los satélites de mando y control, que utiliza en órbita de naves espaciales como bancos de pruebas se puede reducir el riesgo de utilizar productos de AI en el entorno operativo.

Referencias

1Larson, WJ y Wertz, JR, Misión Espacial Análisis y Diseño, Microcosmos, Inc, Torrance, CA, 1992