Rymduppdrag har länge gynnats av att vissa autonoma operationer utförs ombord på rymdfarkoster, men med en kraftig ökning förväntat av antalet satelliter som skjuts upp under de närmaste åren, forskare använder automation och artificiell intelligens för att göra dem smartare och mer effektiva.

Teknikföretag och forskare ser utrymme för att ge satelliter mer kontroll ombord, att kringgå svårigheter att kommunicera med jorden och minska behovet av kontinuerlig praktisk övervakning och ingripande på långt håll. Det kommer att minska driftskostnaderna och potentiellt tillåta dem att utföra mer sofistikerade uppgifter oberoende av sina jordbundna handledare.

Mindre, autonoma rymdfarkoster kan stänga klyftorna i täckning mellan mycket större, dyrare telekommunikationssatelliter, eller användas i formationer för att övervaka rymdvädret eller observera jorden från olika perspektiv samtidigt – till exempel tredimensionell realtidsanalys av moln eller övervakning av vulkaniska plymer.

Genom att göra så, de skulle kunna korrigera och behålla sin bana, undvika kollisioner och övervaka sina system ombord helt på egen hand – allt till en avsevärt lägre driftskostnad.

Professor Klaus Schilling, ordförande för robotik och telematik vid Würzburg University i Tyskland, har arbetat med tekniken för grupper av små, autonoma satelliter att flyga i formation, kommunicerar direkt med varandra för att organisera och samordna uppgifter. Framgång skulle markera en världsnyhet.

Nätverk

För kostnaden för en satellit med flera ton, han ser möjligheten att använda grupper av små satelliter – till och med hundratals av dem – för att sätta upp ett sensornätverk. Flottan skulle behöva mer avancerad samordning och kontroll, men skulle kunna ge bättre temporal och rumslig upplösning än ett gigantiskt farkost.

Även om miniatyrisering kan innebära svårigheter för satelliter, såsom känslighet för brus i elektroniska kretsar, sofistikerad programvara kan upptäcka och korrigera dessa problem och samarbete mellan små rymdfarkoster kan också förbättra deras kapacitet, Prof. Schilling säger.

"Detta är till och med fallet med en enda satellit, men det blir kritiskt på multisatellitnivå, i samband med bildandet, " sade prof. Schilling, som också leder det tyska forskningsföretaget Center for Telematics.

Hans NetSat-projekt syftar till att skjuta upp fyra små satelliter i slutet av detta år, att kretsa runt jorden och testa formationer med olika grader av autonomi, med lätt beröringsövervakning från markkontroll.

Satelliterna kommer att väga cirka 3 kilo vardera – bara en bråkdel av storleken på de största satelliterna – och kommer att placeras i en låg omloppsbana om jorden, cirka 600 kilometer över ytan.

Hittills, Prof. Schilling och hans team har använt satelliter som redan är i omloppsbana för att utveckla och demonstrera system för kommunikation, positionering och orientering, och de testar för närvarande ett elektriskt framdrivningssystem för NetSat.

Tekniken innehåller också två decennier av lärande från forskning om att kontrollera formationer av mobila robotar, sträcker sig in i tre dimensioner av det svärmliknande beteendet som används för att koordinera terrestra rovers.

Samordna

Rymdfarkosten NetSat kommer att kunna koordinera med varandra över avstånd från cirka 100 kilometer ner till 10 meter, samt ändra deras formation beroende på vilka uppgifter de behöver utföra.

"För oss kommer det att vara som att ha ett laboratorium i rymden, där vi kan göra många drifttester, många kontrolltester och många sensortester, som kommer att hjälpa oss för framtida uppdrag, " sa Prof. Schilling.

NetSat fungerar genom att fördela datorkraft mellan satelliter i en formation, men ett annat tillvägagångssätt under utforskning är att använda artificiell intelligens (AI) för att öka satellitautonomi.

AI kan göra en satellit medveten om sin omgivning och självständigt bestämma när och hur de ska utföra operativa uppgifter, som att samla in bilder, analysera och bearbeta dem, och välj sedan endast de väsentliga data för nedladdning till jordstationen.

Syftet kan vara att identifiera specifika mål som kan övervakas eller spåras, kanske en byggnad eller ett skepp eller ett fordon på jordens yta, eller filtrera bort moln för att förbättra bildkvaliteten.

En sådan satellit skulle också kunna känna igen nya händelser som kräver övervakning eller avvikelser som kräver åtgärder, säger Dr Lorenzo Feruglio, grundare och verkställande direktör för den italienska rymdteknikstart-upen AIKO, baserad i Turin.

"På sätt och vis måste du upptäcka villkoren och vad som händer och sedan reagera på dessa förhållanden autonomt, använder AI snarare än traditionella algoritmer, " sa Dr Feruglio.

Han leder ett projekt som heter MiRAGE, som använder AI-verktyg som djupinlärning för att automatisera satellitoperationer.

Lägre kostnad

Så smart, AI-baserade system ombord säkerställer att rymdfarkosten kan slutföra sina uppgifter utan de förseningar som är involverade i att vänta på nya instruktioner eller beslut från markkontroll, som då kan fokusera på kritiska frågor snarare än rutinuppgifter – med kraftigt reducerad bemanning och till mycket lägre kostnad.

MiRAGE-programvaran, varav några har sina rötter i den funktionalitet som efterfrågas av drönare eller autonoma bilar, kommer att lanseras som ett experiment ombord på en liten satellit under det sista kvartalet i år, med sikte på att rullas ut på större rymdfarkoster i framtiden. Ett av syftena är att visa AI:s anpassningsförmåga till olika uppgifter och uppdragsmål – inklusive möjligheten till djupa rymdutforskningar.

"I allmänhet, AI och djupinlärning bevisar sitt värde i många olika branscher och fördelarna (för rymduppdrag) är långt ifrån att vara helt utforskade ännu, " tillade Dr. Feruglio.