Новые подходы к формированию роевого интеллекта для управления движением группы малых спутников

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-21-00845

НазваниеНовые подходы к формированию роевого интеллекта для управления движением группы малых спутников

Руководитель Иванов Данил Сергеевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной математики им. М.В. Келдыша Российской академии наук" , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-318 - Движение тел в космическом пространстве, жидких и газовых средах

Ключевые слова малые космические аппараты, распределенная система, управление движением, роевой интеллект

Код ГРНТИ89.23.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Миниатюризация космических аппаратов привела к изменению парадигмы построения космических систем. Группа легких близколетящих околоземных спутников во многих миссиях превосходит по своим характеристикам одиночные массивные космические аппараты. Взрывной рост числа запускаемых и планируемых к запуску аппаратов в рамках одной миссии приводит к необходимости рассмотрения не отдельных элементов системы, а всего ансамбля элементов в целом. Для выполнения задач миссии требуется организация относительного движения всех аппаратов группы, число которых может достигать сотен и даже тысяч. Вследствие огромного числа элементов системы управление движением может осуществляться только автономно и на основе информации об относительном движении только ближайших аппаратов-соседей. При управлении такими многоэлементными космическими системами возникает ряд новых задач. Первое, требуется разработка инструментария для автономного принятия решения о выборе требуемого режима управления каждого элемента группы в условиях неполной информации. При этом цели движения отдельного аппарата можно выделить как индивидуальные (уклонение от столкновения, заряд батареи, заправка и др.), и групповые (выполнение основных задач миссии). Второе, при рассмотрении группы разнородных аппаратов, способных выполнять индивидуальные функции (связь с наземной станцией, получение энергии, дозаправка, проведение измерений и т.п.) необходимо создать методику осуществления автономной «логистики» относительного движения и взаимодействия между элементами группы для выполнения задач миссии. И главное, требуется выработка подходов к изучению эффективности работы таких космических систем при использовании тех или иных подходов к управлению относительным движением. Эти задачи являются на настоящий момент нерешенными, однако они неизбежно возникают для осуществления миссий с использованием групп аппаратов, таких как автономное строительство космических орбитальных станций, сервисное обслуживание созвездий уже запущенных аппаратов, увод космического мусора группой аппаратов, сбор и передача электрической энергии с низких околоземных орбит с помощью распределенных в пространстве солнечных панелей и множества других околоземных задач. В рамках настоящего проекта будут разработаны подходы для решения вышеописанных проблем, возникающих при создании алгоритмов управления относительным движением группы спутников как единого целого. Будет изучена возможность моделирования такой технической системы с использованием результатов исследования работы биологических распределенных систем с учетом ограниченных коммуникационных возможностей между элементами. Для выбора режима относительного движения возможно использование результатов локальной оптимизации с заданными весами выполнения локальных и групповых целей с учетом ограничения бортовых вычислительных ресурсов. Будет изучена возможность применения методов, аналогичным методам машинного обучения с подкреплением, но с распределенным обучением индивидуальных элементов системы с общим функционалом подкрепления. Разработанные подходы предполагается применить к миссиям группового полета с конкретными задачами – построение космической станции, увод космического мусора и сервисное обслуживание. Новые алгоритмы будут исследованы как с помощью математического моделирования, так и экспериментально на лабораторном стенде в Институте прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН. Коллектив предлагаемого проекта состоит из 4-х участников: руководитель к.ф.-м.н., доцент, лауреат Премии Правительства Москвы, два аспиранта и студент-магистрант. У коллектива есть задел в виде совместных работ по динамике и управлению движением группы аппаратов. С 2016 года у коллектива есть 42 публикации в изданиях, индексируемых в WoS/Scopus, в том числе 9 статей в журналах с квартилем Q1.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. К.С. Чернов, У.В. Монахова, Я.В. Маштаков Ш.Н., Биктимиров, Д.А. Притыкин, Д.С. Иванов Decentralized Differential Aerodynamic Control of Microsatellites Formation with Sunlight Reflectors Aerospace, V. 10, № 10, Paper 840, 19 c. (год публикации - 2023)
10.3390/aerospace10100840

2. Чернов К.С., Иванов Д.С. Application of Electrodynamic Tethers for Tetrahedral Satellite Formation Control Proceedings of the International Astronautical Congress, IAC-23-C1.4.5, 6 p. (год публикации - 2023)

3. Чернов К.С., Иванов Д.С. Управление угловым движением тетраэдральной формации микроспутников с помощью силы Лоренца Proceedings of Fundamental and Applied Problems of Mechanics-2023, 4 c. (год публикации - 2023)

4. Монахова У.В., Шестаков С.А., Маштаков Я.В., Иванов Д.С. Децентрализованное управление движением роя малых космических аппаратов для удержания коммуникационной связности Cosmic research, V. 62, No.1, pp.106-116 (год публикации - 2024)
10.1134/S0010952523700776

5. Орлов В.В., Иванов Д.С. Управление движением космического аппарата-робота в задаче сборки космической станции на околоземной орбите Труды XLVII Академических чтений по космонавтике, посвященные памяти академика С.П. Королёва и других выдающихся отечественных ученых — пионеров освоения космического пространства, Том 1, с. 291-292 (год публикации - 2023)

6. Орлов В.В., Иванов Д.С. Построение космической конструкции ферменого типа с помощью космического аппарата-сборщика Труды XIII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2 с. (год публикации - 2023)

7. Чернов К.С. Управление относительным движением двух групп микроспутников с использованием сил Лоренца Труды XIII Всероссийского съезда по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики, 2 с. (год публикации - 2023)

8. Ладонкин Н.А., Иванов Д.С., Королева Ю.С., Егоров И.Д. Управление относительным движением наноспутников в групповом полёте с использованием абляционного импульсного плазменного двигателя в условиях неопределённостей орбитального движения Труды V Российского симпозиума по наноспутникам с международным участием, 5 с. (год публикации - 2023)

9. Чернов К.С., Иванов Д.С. Исследование различных режимов движения тетраэдральной формации, управляемой с помощью силы Лоренца Труды 65-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 2 с. (год публикации - 2023)

10. Орлов В.В., Иванов Д.С. Управление движением космического аппарата-робота в задаче сборки космической станции на околоземной орбите Труды 65-й Всероссийской научной конференции МФТИ, 2 с. (год публикации - 2023)

11. Орлов В.В., Иванов Д.С. Относительная навигация фемтоспутников по измерениям амплитуды сигнала анизотропных антенн связи Proceedings of Fundamental and Applied Problems of Mechanics-2023, 2 с. (год публикации - 2023)

12. Орлов В.В., Иванов Д.С. Определение относительного движения фемтоспутников по измерениям амплитуды сигнала антенн связи Труды Всероссийской конференции молодых учёных-механиков, 1 с. (год публикации - 2023)

Публикации