人工智能与太空探索的未来


2021年2月18日,美国国家航空航天局(NASA)的“毅力”(Perseverance)漫游者在经过203天的火星之旅后,成功地在火星表面着陆。“毅力号”抵达后不久就开始下降,这需要NASA依靠飞船上高度复杂的着陆系统来引导它到达杰泽火山口内的最终落点,这段时间被称为“恐怖的七分钟”。由于地球和火星之间的距离不允许手动实时操纵探测器到达火星表面,美国宇航局利用人工智能(AI)在探测器着陆前扫描着陆点,并安全地引导“毅力”号到达目的地。

除了着陆过程,美国宇航局还为月球车配备了科学仪器,在任务期间使用人工智能进行制导机动和岩石和沉积物化学研究。行星x射线岩石化学仪器(PIXL)用一个六足机器人连接到“毅力”的机械臂上,由人工智能引导,使其x射线束获得最精确的目标,以确定岩石的纹理和结构。探测器还配备了一个超级摄像头,利用人工智能来识别、打击和蒸发岩石目标,用脉冲激光研究它们的化学组成。1

美国宇航局的坚持不懈使命

图1:毅力号火星漫游者的艺术概念。来源:美国国家航空航天局

什么是人工智能和机器学习?

人工智能指的是通过编程让机器像人类一样思考,并模仿人类的行为,从而模拟人类智能。2这也适用于任何能够感知环境、采取行动并模仿与人类思维相关的认知功能(如学习和解决问题)的机器。人工智能旨在解决传统问题,如推理、知识表示、规划、学习、感知,以及基于给定情况移动和操作物体的能力。3.

人工智能最常被提及的好处之一是自动化,它对多个行业都有重大影响。自动化被用于提高生产力和增加产量,并允许更有效地使用材料和减少交货期。自动化中的人工智能有助于简化资源,为更关键或更复杂的任务提供可用性。

我们使用AI进行更聪明的决策。通过可用于协调数据传递的技术,分析趋势,开发数据一致性,提供预测和量化不确定性,AI技术可以帮助我们为特定情景做出最佳的非偏见决策。4人工智能系统消除了人类的情感,在数据中绘制模式,比人类能力更快地提供准确结果。

我们还利用了AI和机器学习技术来了解不同情景和趋势的潜在结果。机器学习算法基于样本数据构建预测模型以创建模式,可以在不明确编程的情况下做出决定性的决策。我们进一步使用一种机器学习形式,称为深度学习,以模仿直接从图像,文本和声音数据执行分类任务的人类能力。我们用大数据和人工神经网络(ANN)架构培训这些算法,该算法包含许多层,这对于安全关键应用尤为重要。

我们受益于人工智能和机器学习,通过使用这些技术来减少人为错误,处理重复性工作,并保持业务连续性。类似地,人工智能和机器学习技术对我们对复杂任务的支持产生了积极影响,这些任务定义了太空探索的未来和国家安全行动。

人工智能和机器学习

图2:人工智能和机器学习

空间操作中的人工智能和机器学习

目前的太空探索任务在许多空间操作领域使用了人工智能和机器学习能力,包括任务规划和操作、数据收集、自主导航和机动以及航天器维护。未来的任务将需要依靠同样的方法。

任务规划

进入、下降和着陆(EDL)飞行动力学团队不得不严重依赖人工智能来进行任务规划和复杂的调度系统,以度过“毅力”任务中的“恐怖七分钟”。任务科学家和工程师认为调度是一个我们可以应用人工智能技术的领域,因为这些系统涉及复杂的规划。在不使用人工智能的情况下,任务调度需要大型团队工作很多小时来满足任务的要求。通过使用人工智能,我们可以通过编程让航天器根据过去的经验和环境来决定如何智能地执行给定特定功能的命令,从而减轻对这些人力资源的需求。5

实际的调度问题通常涉及许多约束条件。抵消冲突约束和执行权衡极大地增加了调度的复杂性。我们可以使用人工智能来解决关键的科学和工程任务约束,并相应地优化时间表以满足所有需求。

任务操作

AI用于太空任务的自主操作。通过欧洲航天局(ESA)技术转让计划,意大利启动公司Aiko开发了一个名为Mirage的软件库,用于为空间任务启用自主操作。使用这些操作,航天器本身可以执行自主重新恢复,检测事件(内部和外部),并相应地反应,确保在没有地面决策过程引入的延迟的情况下实现任务目标。6

我们还可以使用AI和机器学习来评估安全关键任务并评估操作风险分析。这些技术允许风险缓解系统根据来自名义操作的指标和过去的性能来处理大量信息。然而,如果没有深入学习Anns,我们无法自信地将风险级别分配给事件,并将需要进行专家监督。一旦我们训练了一个模型来识别风险分类,它可以使用知识来评估实时风险评估。

数据收集

在过去十年中,我们从地球观测航天器,深空探针和行星升降机收集的数据量显着增加了用于分发和将数据传递到多个最终用户的地面基础设施的显着增加。具有优化从科学任务中收集的大量数据,并使用AI自动化对数据进行积极影响数据如何处理并将其传输到最终用户。

搭载在航天器上的人工智能可以自动检测和描述象征性的特征,如典型的天气模式,并将其与不寻常的模式,如火山活动的烟羽区分开来,从而创建地图和数据集。我们可以使用AI来确定哪些数据集是重要的,需要发送到地面段进行处理。我们还可以使用人工智能技术来删除没有什么意义的数据。这可以减轻空间对地网络在大容量数据传输方面的负担或限制。

自主导航和机动

正如我们在坚持不懈地到达火星的情况下,地面运营通信能力并不总是允许连续的人类监测和航天器运营。导航中的自主权允许航天器穿过星际空间,并进行复杂的演习,以抵达和降落在遥远的天体上。由于深空中的通信滞后,人为对控制航天器无法实时发生。由于航天器不能在特定情况下等待需要立即确定的命令,因此使用AI和机器学习促进了航天器的指导和机动,同时释放其他特派团的人力资源。

在太空中,人造物体之间发生碰撞的风险正在增加。随着空间碎片的增加和巨型星座的发射,情况预计会变得更糟。因此,机器学习正在测试的另一个领域是空间态势感知和连接事件,即两个或多个航天器到达同一点和时间。理想情况下,通过识别需要机动行动的关联事件,我们可以捕获事件和操作者响应的特定数据,并将其输入机器学习算法,以确定和减轻未来事件。然而,边缘情况场景或仅在极端操作参数下发生的场景可能难以训练,因为它们可能是唯一的,难以捕捉。

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图3:航天器连接仿真使用万博体育下载投注FreeFlyer软件

航天器在轨维护

在探索太空探索的未来时,我们不能忽视航天器维护任务的需要。我们今天发射的航天器是为日常辅助和自我维护而设计的,包括硬件升级、加油以及为太阳能电池阵等堵塞系统提供服务。

NASA’s On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing 1 (OSAM-1), formerly called Restore-L, is a robotic spacecraft equipped with the tools, technologies, and techniques needed to extend the life of satellites, even if they were not designed for servicing. During its mission, the OSAM-1 spacecraft will rendezvous, grasp, refuel, and relocate a U.S. Government-owned satellite to extend its life. Using the attached payload called Space Infrastructure Dexterous Robot (SPIDER), OSAM-1 can assemble and install a 9-foot communications antenna and add a 32-foot beam to the government satellite.7

由人工智能和机器学习技术支持的维护任务技术包括自主、实时相对导航系统、精确执行任务的灵巧机器人手臂,以及执行服务任务的先进工具。

美国宇航局的OSAM-1维修任务

图4:OSAM-1维修任务的艺术概念。来源:美国国家航空航天局

结论

AI和机器学习能力通过在特派团规划和运营中产生效率,为科学家提供了探索空间远达的能力,在空间产业中产生重大影响。虽然任务的自动化铺平了使用AI的方式,但是宇宙飞船成为完全认知机器的能力,能够基于当前环境来制定关键决策,而无需依赖地面系统来执行基本功能将为人类创造更多时间花价值和更复杂的研究活动。

来源

  1. 美国宇航局-火星毅力宣传资料包:https://www.jpl.nasa.gov/news/press_kits/mars_2020/download/mars_2020_landing_press_kit.pdf
  2. Investopedia -人工智能:https://www.investopedia.com/terms/a/artificial-intelligence-ai.asp
  3. 维基百科 - 人工智能:https://en.wikipedia.org/wiki/Artificial_intelligence
  4. 10XDS -人工智能(AI)的十大好处:https://www.10xds.com/blog/benefits-of-artificial-intelligence-ai/
  5. Medium.com -太空探索的人工智能:https://medium.com/@apltownsend/artificial-intelligence-for-space-exploration-703d2838e37c
  6. 爱子:人工智能带来的自主卫星运行https://www.esa.int/Applications/Telecommunications_Integrated_Applications/Technology_Transfer/AIKO_Autonomous_satellite_operations_thanks_to_Artificial_Intelligence
  7. 戈达德航天飞行中心- NExIS OSAM-1:https://nexis.gsfc.nasa.gov/osam-1.html
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