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Missioni spaziali intelligenti.

Missioni spaziali intelligenti.

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 Gli ultimi satelliti per l’osservazione della Terra decidono quali immagini devono essere inviate agli utenti, mentre sonde planetarie o rover situati oltre i limiti della supervisione in tempo reale sono in grado di impostare e seguire la propria rotta.

Redazione. (Fonte: ESA)

Da dove viene questa intelligenza incorporata? Come con tutti gli altri hardware intelligenti nella nostra vita quotidiana, alla fine si tratta di set di istruzioni codificate che chiamiamo software, che dicono a un sistema cosa fare in una determinata situazione.

Succo a Giove

La Divisione Software Systems dell’ESA , composta da circa 70 persone, ha il compito di rispondere a questa spinta verso una sempre maggiore autonomia, in tutte le aree dell’esplorazione spaziale e delle applicazioni.

“Ci sono fondamentalmente due tipi di problemi di missione che l’autonomia affronta”, osserva il capo della divisione Joachim Fuchs. “Uno è in fasi critiche che abilitano la missione in cui gli umani non possono assolutamente intervenire, come l’ atterraggio del rover ExoMars o la missione Juice che si inserisce nell’orbita di Giove – in entrambi i casi il ritardo del segnale intrinseco dovuto alla distanza li lascia soli.

“Con qualcosa come il lancio di un razzo sappiamo praticamente cosa sta succedendo, ma con un atterraggio su Marte ci sono molte più incognite, come la dinamica precisa dell’atmosfera, quindi c’è una vasta gamma di potenziali condizioni da affrontare. Per queste situazioni, sono necessari molti test del software per tenere conto di tutte le possibilità. Se c’è un guasto al propulsore, o solo un “bit-flip” della memoria, il sistema può rispondere e continuare a implementare ciò che deve fare?

“Il secondo problema di missione in cui l’autonomia gioca un ruolo è in una situazione guidata dalle prestazioni in cui l’aggiunta di intelligenza aiuta a aggirare i limiti del sistema, come la larghezza di banda limitata o la memoria integrata. Prendi il payload Ф-sat-1 su FSSCat , che utilizza l’intelligenza artificiale basata sulla visione per eseguire la propria elaborazione integrata, quindi solo i dati più utili devono essere inviati agli utenti. Se fallisce, non perderai immediatamente la missione. È un approccio che sarà importante negli scenari in cui l’utente interagisce direttamente con i payload dei satelliti di osservazione della Terra o di comunicazione, innescando una tendenza verso l’intelligenza a bordo”.

L’autonomia viene spesso raggiunta andando oltre le istruzioni di comando di base a un livello più elevato di complessità e astrazione. Joachim aggiunge: “Pensa di scrivere un documento sul tuo laptop; tutto potrebbe essere fatto attraverso la codifica a controllo diretto, ma è molto più semplice e migliore farlo con un sistema operativo e un software su misura. Dall’altro lato ciò aumenta la complessità: ogni nuovo livello aggiunge un tocco in più di dimensioni, tempo e risorse.

Un modo per consentirlo è effettivamente aggiungere hardware dedicato per una maggiore autonomia, l’equivalente di aggiungere una scheda grafica al PC di un giocatore. Phi-Sat utilizza il chip Movidius Myriad 2 di Intel , ottimizzato per l’elaborazione della visione a basso consumo ad alte prestazioni.

Altre opzioni includono circuiti integrati personalizzati per applicazioni specifiche, ASIC o array di porte programmabili sul campo, FPGA, che hanno il vantaggio aggiuntivo di essere riprogrammabili da remoto dopo il lancio, in modo che le lezioni apprese possano essere incorporate nel loro funzionamento.

La sfida per il team di Software Systems è che la velocità del processore e la dimensione della memoria per i computer spaziali sono in ritardo di diverse generazioni rispetto al loro equivalente terrestre. Lo spazio è inondato di radiazioni che possono disturbare l’hardware terrestre non schermato, mentre i sistemi “rafforzati” sono sia di base che costosi.

“La memoria della piattaforma è cresciuta da due a tre volte rispetto a 15 anni fa”, spiega Maria Hernek, a capo della sezione Flight Software della divisione. “Ciò consente al software operativo di crescere di dimensioni rispetto a quello che avevamo prima, ma è ancora minuscolo rispetto a quello di un normale smartphone.”

Per dare un’idea, la prima generazione di satelliti per l’osservazione della Terra Spot ha funzionato su 16 KB di memoria, mentre la generazione successiva di satelliti per telecomunicazioni è arrivata a 1 o 2 MB. Le missioni che stanno per volare oggi hanno in genere un 512 MB relativamente lussuoso, in esecuzione su versioni multicore della famiglia di processori LEON qualificati per lo spazio sviluppata dall’ESA e dai suoi partner industriali.

“Il software che esegue la piattaforma di missione – o ‘bus’ – è di natura piuttosto conservatrice, allo stesso modo in cui un camion Volvo sembra più o meno la stessa generazione dopo generazione”, osserva Maria. “Qualsiasi innovazione sugli elementi costitutivi collaudati inietterebbe rischi, cosa che i pianificatori di missione non sono mai entusiasti di fare”.

C’è una maggiore apertura all’innovazione software dal lato del payload: gli strumenti oi sistemi che raccolgono i dati o eseguono i servizi per i quali la missione è stata costruita in primo luogo. Inoltre, ogni singolo guasto del carico utile in genere non condanna l’intera missione.

“Quindi incoraggiare la sperimentazione sul lato piattaforma è importante”, commenta Maria. “Ad esempio, la serie di satelliti Proba dell’ESA ha aperto la mente alle persone al valore di una maggiore autonomia di bordo, a partire dal  Proba-1  nel 2001 – che è ancora operativo fino ad oggi – e passando al Proba-3 che vola in formazione nel 2023, che dimostrerà rendezvous autonomi e operazioni di prevenzione delle collisioni tra una coppia di satelliti.

“E ora abbiamo una grande quantità di CubeSat dimostrativi in ​​orbita che  spesso utilizzano hardware di computer terrestre piccolo ma potente, essendo abbastanza piccoli ed economici da correre ulteriori rischi”.

Christophe Honvault è a capo della sezione Software Technology dell’ESA, che sviluppa nuove tecnologie e metodi software: “La tendenza odierna è quella di generare sempre più codice automaticamente. Ad esempio, il software di assetto e controllo orbitale viene spesso generato eseguendo un modello a livello di sistema del veicolo spaziale per identificare tutte le funzionalità necessarie e stiamo cercando di fare lo stesso con la gestione dei dati”.

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Proba-1 è stato anche pioniere in questo modo, dimostrando l’uso di “autocodifica”, abbreviazione di generazione automatica del codice, utilizzando software per scrivere software.

Avanti veloce fino ad oggi, e la modellazione delle missioni su simulatori e banchi di prova avionici è diventata essenziale per testare il software stesso, con il più alto livello di verifica e validazione per le funzioni mission-critical.

Maria aggiunge: “Ad esempio, la commutazione di un satellite in modalità sicura deve avvenire in modo affidabile, mantenendo le funzioni di base in esecuzione per guadagnare tempo per indagare e risolvere il problema”.

Rimanere bloccati sull’equivalente di una schermata blu della morte non dovrebbe mai accadere in orbita. Solar Orbiter offre un altro esempio di funzionalità mission-critical: in qualsiasi momento il suo software ha solo 50 secondi per ruotare il radiatore fuori dalla vista della luce solare diretta, altrimenti lo strumento si surriscalda irreparabilmente.

“Siamo abbastanza bravi a testare il software”, commenta Joachim. “Quando le cose vanno male – dal famoso fallimento inaugurale di Ariane 5 nel 1996 all’atterraggio di Schiaparelli su Marte – di solito si tratta di un parametro sbagliato che viene definito all’inizio, piuttosto che del software stesso”.

Oggi la divisione sta lavorando a una serie di diverse missioni in cui l’autonomia è un elemento indispensabile: l’ European Large Logistic Lander  navigherà sulla superficie della Luna, mentre la missione Hera stimerà  la sua posizione nello spazio tracciando il suo asteroide bersaglio. L’ iniziativa internazionale Mars Sample Return si baserà su una catena di sistemi robotici autonomi per selezionare prima le rocce marziane promettenti, quindi riportarle sulla Terra tramite un impegnativo rendez-vous orbitale. 

Un incontro autonomo comparabile in orbita sarà fondamentale per la  missione ClearSpace-1 , rimuovendo un satellite abbandonato di proprietà dell’ESA e le successive  missioni di assistenza in orbita .

Come conclude Maria: “I veicoli spaziali e le missioni odierne richiedono un alto livello di autonomia come fattore abilitante per l’esplorazione o per motivi di efficienza, per ridurre i costi operativi. E in futuro l’apprendimento automatico potrebbe consentire ai veicoli spaziali di prendere le proprie decisioni intelligenti. Il software giocherà una parte importante e cruciale di queste soluzioni tecnologiche in arrivo, quindi stiamo guardando avanti a lavori interessanti e stimolanti”.

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