新算法可以增强自主航天器的安全性

纵观整个历史，天空总是让人联想到浩瀚无垠的虚空，一个巨大而空旷的穹顶，白天太阳点缀其间，夜晚则点缀着无数小光点(有时还有月亮)。随着我们探索太空，无论是物理上(使用航天器)还是光学上(使用各种望远镜技术)，我们现在知道那里有很多东西。

这一发现对航空航天业具有深远影响。想象一下，一艘耗资数十亿美元的自主航天器经过多年的精心设计和制造，经过精确计算发射到太空，却失去了一个推进器并撞上了一颗小行星。

从历史上看，工程师主要通过两种方式来应对航天器上设备故障的可能性：首先，采用“安全模式”，使航天器能够对自身造成最小程度的损害，同时地面上的科学家查看数据、做出诊断并制定解决方案;其次，为自动驾驶汽车配备冗余系统。例如，这些系统允许航天器关闭故障的推进器并开始使用备用推进器。

然而，太空中可能突然出现危险情况，而几乎没有任何预警，也没有足够的时间进行空地通信。尽管冗余系统非常有效，但它们增加了自主航天器的成本和重量。

这就是为什么加州理工学院为NASA管理的喷气推进实验室高级研究员、控制与动力系统布伦教授Soon-JoChung的实验室正在进行实验，以简化自动驾驶汽车的应急功能，使它们能够实时诊断并安全应对与其他物体的碰撞。有了新的算法，航天器可以测试自己的设备，并预测哪些未来行动最有可能让它们安全运行。

该项目的主管之一、加州理工学院航空航天研究教授、前JPL首席技术专家FredHadaegh解释说：“拥有冗余系统并不总是可行的。这意味着航天器必须比原本更大、更重、更昂贵。因此，这里的想法是，当航天器遇到问题时，它可以找出问题所在，并纠正或适应特定的故障。”

图片来源：加州理工学院

除其他外，Chung的实验室还拥有先进的多航天器动力学模拟器设施。

“模拟器占据了一个很大的房间，地板非常平坦，”加州理工学院研究生航空航天实验室(GALCIT)的博士生、该主题新论文的主要作者詹姆斯·拉根(JamesRagan)解释道。“模型航天器使用空气轴承，因此它在地板上移动时几乎没有摩擦力。静止时，它似乎在漂浮，如果你向一个方向推它，它会一直向前移动，直到撞到什么东西，这就是太空动力学。”

Ragan用他和他的合著者称之为s-FEAST(通过主动感知树搜索进行安全故障评估)的算法对机器人航天器模拟器进行了编程。“我们的s-FEAST算法可以快速‘梦想’现在采取的行动可能带来的无数可能的未来，”Ragan说。

“由于系统噪声很大，这些未来是不确定的。有多种可能的结果，这导致了一棵可能分支未来的树。每个分支代表未来可能发生的一种可能方式，基于航天器控制的事物(它选择的测试操作)以及它不控制的事物，例如来自故障传感器的观测结果。”

Chung补充道：“我们的s-FEAST方法的创新之处在于，我们系统地解决了先有鸡还是先有蛋的问题，即估计车辆状态(例如位置和速度)并推断故障或性能下降，而这些状态本质上是相互联系的。”

当航天器检测到意外数据时，它会转向s-FEAST算法，该算法运行测试操作“类似于当你感到意​​外疼痛时仔细测试你的肌肉，你想弄清楚到底是什么让你感到疼痛以及如何避免可能进一步伤害你的行为，”Ragan解释说。

s-FEAST同时推导出一系列可能的未来，并从中选择最有可能诊断出问题所在并避免危险的行动方案。在这个模型中，危险相当于与小行星相撞。

“这里的关键思想是s-FEAST不会取代所有航天器操作。它是你的紧急响应，”Ragan说。“航天器收到内部信号，表示有错误，因此s-FEAST接管了航天器的所有计算能力，以快速评估正在发生的事情并采取补救措施。一旦确定并解决了危险，s-FEAST就会将控制权交还给航天器的普通计算环境。”

s-FEAST还可以主动使用。假设一艘自主航天器即将执行一项特别危险或任务关键的行动;s-FEAST可以运行一个测试周期，以确保在此行动之前所有系统都正常运行。

Chung和他的合著者设想，所提出的方法将建立一种新方法，使昂贵的太空探索更安全、更经济。Chung说：“太空系统使自主操作成为必要，因为我们无法抓住并修复在远离我们的世界运行的航天器和火星直升机。太空是我们为地球车辆系统进行的任何自主研究的最终‘试验场’。”

毫不奇怪，该团队将适用于航天器模拟器的s-FEAST算法也应用于地面轨道车辆。这两次实验都取得了成功，因此s-FEAST技术对于地球和太空中的自动驾驶汽车都具有巨大的前景。