人工智能在太空中进行会合

太空旅行是复杂、昂贵且有风险的。每次一艘航天器与另一艘航天器对接时，都会产生巨额资金和宝贵的有效载荷。一个失误就可能导致价值十亿美元的任务付诸东流。航空航天工程师认为，自主控制，就像当今引导许多汽车行驶的那种控制一样，可以极大地提高任务安全性，但无差错确定性所需的数学复杂性超出了机载计算机目前所能处理的范围。

在2024年3月IEEE航空航天会议上发表并发表在预印本服务器arXiv上的一篇新论文中，斯坦福大学的航空航天工程师团队报告了使用人工智能来加速规划两个或多个对接航天器之间的最佳和安全轨迹。他们称之为ART——自主交会变压器——他们说这是迈向更安全、值得信赖的自助太空旅行时代的第一步。

凯撒万岁

自主控制中中，可能的结果数量是巨大的。由于没有犯错的余地，它们本质上是开放式的。

MarcoPavone表示：“轨迹优化是一个非常古老的话题。它自20世纪60年代以来就已存在，但当您试图在传统计算方法的参数范围内满足自主太空旅行所需的性能要求和严格的安全保证时，这是很困难的。”航空航天学副教授，新斯坦福航空航天自主研究中心(CAESAR)联合主任。

“例如，在太空中，你必须应对地球上通常没有的限制，例如指向星星以保持方向。这些转化为数学复杂性。”

航空航天学副教授、太空中心联席主任西蒙·达米科(SimoneD'Amico)补充道：“为了让自主技术在数十亿英里之外的太空中顺利运行，我们必须采用机载计算机能够处理的方式来实现。”凯撒。“人工智能正在帮助我们以计算有效的方式管理复杂性并提供确保任务安全所需的准确性。”

CAESAR是工业界、学术界和政府之间的合作项目，汇集了Pavone自主系统实验室和D'Amico空间交会实验室的专业知识。自主系统实验室开发用于分析、设计和控制自主系统(汽车、飞机，当然还有航天器)的方法。

空间交会实验室进行基础和应用研究，以实现未来的分布式空间系统，通过两个或多个航天器自主协作来完成单个系统很难实现的目标，包括编队飞行、交会对接、集群行为、星座等等。该实验室计划于2024年5月举办启动研讨会。

CAESAR研究人员讨论了机器人自由飞行平台，该平台使用空气轴承悬停在花岗岩台面上并模拟无摩擦的零重力环境。图片来源：安德鲁·布罗德海德

温暖的开始

自主交会变压器是一种轨迹优化框架，它利用人工智能的巨大优势，同时又不影响太空可靠部署所需的安全保证。ART的核心是将基于人工智能的方法集成到传统的轨迹优化流程中，利用人工智能快速生成高质量的候选轨迹，作为传统轨迹优化算法的输入。

研究人员将人工智能建议称为优化问题的“热启动”，并展示了这对于在不影响安全性的情况下获得大幅计算速度的至关重要。

托马索解释说：“该领域面临的一大挑战是，我们迄今为止需要‘地面循环’方法——必须将信息传输到地面，由超级计算机计算轨迹，然后我们将命令上传回卫星。”Guffanti是D'Amico实验室的博士后研究员，也是介绍自主交会变压器的论文的第一作者。

“在这种背景下，我认为我们的论文令人兴奋，因为它将人工智能组件纳入传统的制导、导航和控制管道中，使这些交会更平稳、更快、更省油、更安全。”

下一个前沿

ART并不是第一个将人工智能带入太空飞行挑战的模型，但在地面实验室环境的测试中，ART的表现优于其他基于机器学习的架构。像ART这样的Transformer模型是高容量神经网络模型的一个子集，它始于大型语言模型，例如聊天机器人使用的模型。同样的人工智能架构在解析方面非常高效，不仅是单词，还包括图像、音频和现在的轨迹等许多其他类型的数据。

“变形金刚可以用来了解航天器的当前状态、它的控制以及我们希望计划的操纵，”Pavone实验室的博士后研究员、ART论文的合著者DanieleGammelli说。“这些大型变压器模型非常有能力生成高质量的数据序列。”

他们研究的下一个前沿是进一步开发ART，然后在CAESAR提供的现实实验环境中对其进行测试。如果ART能够通过CAESAR的高标准，研究人员就可以确信它已准备好在轨道上的真实场景中进行测试。

“这些是最先进的方法，需要改进，”达米科说。“我们的下一步是注入额外的人工智能和机器学习元素，以提高ART当前的能力并解锁新的功能，但在我们在太空中测试自主交会变压器之前，这将是一个漫长的旅程。”