Мультиагентная система управления
группировкой космических аппаратов для распределенного решения задач дистанционного зондирования Земли

Постановка задачи

Одной из перспективных тенденций в области дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) является создание космических систем, включающих в свой состав группировку разнородных космических аппаратов и широкую сеть территориально распределенных центров приема и обработки данных. С ростом размерности такой системы становится актуальной задача определения того, когда, в какое время и каким космическим аппаратом необходимо снять заданный район наблюдения и на какой из пунктов приема информации сбросить полученную информацию. При этом необходимо учитывать ряд ограничений, связанных с видимостями и техническими характеристиками космических аппаратов и пунктов приема информации.

Предлагаемый подход и решение

Для решения этой задачи используется мультиагентный подход, при котором искомое расписание строится путем взаимодействия автономных программных объектов – агентов, например, агентов космических аппаратов, пунктов приема информации и районов наблюдения, которые договариваются между собой о том, когда и кто будет проводить операции по съемке, сбросу и приему информации.

Пользовательские интерфейсы системы Smart Satellites включают девять экранов и три терминала. Все управление работой системы осуществляется посредством терминалов, экраны служат для отображения происходящих в системе процессов и результатов планирования.

Функции системы

  • Ввод состава и параметров космической системы, а также заявок на съемку районов наблюдения;
  • Оперативное планирование работы группировки космических аппаратов с учетом их технического состояния и возможностей бортовых систем;
  • Оперативное планирование сеансов связи для передачи информации ДЗЗ с космических аппаратов на пункты приема информации;
  • Адаптивная корректировка построенного плана при возникновении непредвиденных событий (изменение технических характеристик КА, ограничений, критериев, состава орбитальной группировки и пунктов приема информации);
  • Визуализация полученных в ходе планирования результатов на ЗD сцене, а также с помощью диаграмм и графиков.

Интерфейсы пользователей

Экран «Задачи миссии» демонстрирует текущую целевую обстановку. На карте показан состав, расположение и количество районов наблюдения. Кроме того, показаны приоритеты критериев, по которым оценивается качество построенного расписания. Так, в данный момент, учитываются два критерия: оперативность получения информации и разрешение снимков. Так как эти критерии могут противоречить друг другу, используется их свертка с заданными весовыми коэффициентами.

sat1

Экран «Очередь событий» отображает список событий системы. Любое изменение исходных данных рассматривается системой как внешнее событие, будь то появление новой заявки на съемку, выход из строя космического аппарата или перерыв в работе пункта приема информации. Все события фиксируются на этом экране в хронологическом порядке.

sat2

Экран «Физический мир» визуализирует 3D сцену, на которой отражены все космические аппараты, пункты приема информации и районы наблюдения, участвующие в планировании. На поверхности трехмерного глобуса обозначены районы наблюдения и пункты приема информации. Вокруг глобуса показаны орбиты и положение космических аппаратов, соответствующее текущему модельному времени.

sat3

Экран «План группировки» отображает план действий выбранного космического аппарата. Здесь показаны видимости космических аппаратов со всеми районами и пунктами приема информации, а также план выполнения операций по съемке и сбросу информации, построенный на десять суток вперед. Кроме того, в целях демонстрации ограничения по памяти, здесь показан график наполнения запоминающего устройства.

sat4

Экран «Лог принятых решений» в хронологическом порядке отображает сообщения, которыми обменивались агенты в процессе построения расписания.

sat5

Экран «Ментальный мир» схематично отображает отношения, устанавливающиеся между агентами космических аппаратов, районов наблюдения и пунктов приема информации в процессе построения расписания. Цвет соответствующего каждому агенту кружка тем зеленее, чем выше значение его целевой функции.

Связи устанавливаются между районами наблюдения и космическими аппаратами, когда данный район наблюдения снимается данным космическим аппаратом, и районами наблюдения и пунктами приема информации, когда снимок данного района сбрасывается на данный пункт приема информации. Связи динамически изменяются в течение планирования. Все взаимодействующие сущности группируются в центре экрана, остальные отдаляются на периферию.

sat6

При образовании новой связи, районы наблюдения изменяют свой цвет на зеленый и притягиваются с периферии к центру экрана. После окончания процесса планирования сущности группируются, более наглядно отображая характер построенных связей.

sat7

Экран «Результаты миссии» демонстрирует итоговые показатели качества расписания: объемы снятой каждым космическим аппаратом и полученной каждым пунктом приема информации, процентное соотношение запланированных и незапланированных районов наблюдения, а также средние значения рассматриваемых критериев.

sat8

Экран «Показатели эффективности» содержит диаграммы, показывающие, как в процессе планирования изменялось качество расписания. Расписание строится агентами итерационно. В начальный момент времени никто нигде не запланирован. Постепенно агенты районов наблюдения договариваются с космическими аппаратами и пунктами приема информации о размещении, сначала вставая на свободные места, а затем, по возможности, перестраивая сложившееся расписание путем взаимных перестановок и сдвигов.

sat9

Терминал «Создание группировки» используется для изменения состава и параметров группировки космических аппаратов и пунктов приема информации. Имеется возможность изменить объем запоминающего устройства у космических аппаратов и любой параметр у пунктов прима информации.

sat10

Терминал «Создание миссии» используется для добавления и удаления районов наблюдения. Процесс добавления районов наблюдения максимально упрощен: пользователю достаточно лишь указать точки на карте, после чего система автоматически определит координаты и географическое название нового района наблюдения.

sat11

Ожидаемый эффект

В системе Swarm of Satellites задача управления космической системой ДЗЗ решается путем создания самоорганизующейся команды взаимодействующих интеллектуальных агентов, способных планировать свое поведение в реальном времени, обеспечивая согласованность принимаемых решений.

Такой подход позволяет добиться высокой масштабируемости и гибкости в управлении космической системой, упрощая ввод в ее состав новых компонентов. Возможность адаптивного изменения построенного плана функционирования космической системы позволяет повысить ее целевую эффективность в условиях динамического поступления заявок на съемку, а также возникновения непрогнозируемых событий, связанных с метеорологической обстановкой и отказами оборудования.

Автономность программных агентов в перспективе позволит разместить компоненты планирования на бортовых вычислительных устройствах космических аппаратов, исключив необходимость в централизованной диспетчеризации и повысив оперативность принятия решений.

Узнайте больше про Swarm of Satellites