Ein SmallSat AUV-Netzwerk

William Stoichevski • 28 März 2019

Foto: Schmidt Ocean Institute

Tiefe hinzufügen: das gesamte Spektrum an Meerblick. Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Professor Kanna Rajan

Die Welt der AUVs verändern: Die SmallSat-Vision von NTNU umfasst die hyperspektrale Erfassung von Meeresoberflächen, deren Visualisierung für die Bodenkontrolle und das Routen von vernetzten AUVs. Bild: NTNU

Ein globales Netzwerk bietet mehr als nur Satellitenverbindungen, und doch können Experten für Fernbetrieb über Fernbetrieb enorme wissenschaftliche und technologische Erfolge auf der Welt erzielen. Das ist, was sich im Hintergrund abspielt - ein kleines Netzwerk der besten Wissenschaftler aus der ganzen Welt koordiniert die Kommunikation und Robotik, die wegweisende Erfolge beim vernetzten Einsatz autonomer Unterwasserfahrzeuge (AUVs) erzielen werden.

Wenn Sie sich wie wir mit Professor Kanna Rajan in Verbindung setzen, wird er Ihnen sagen, dass er nicht der weltweit führende "Drohnenforscher" ist. Er hat jedoch mindestens zwei Mars-Missionen programmiert und berät ein transatlantisches Netzwerk von Wissenschaftlern bei der Verwendung von AUVs und Satelliten. Prof. Rajan schlägt vor, dass der Kontrollguru des AUV-Netzwerks, Professor João Tasso de Figueiredo Borges de Sousa von der Universität von Porto, der richtige Ansprechpartner ist, wenn Sie darüber nachdenken, was in der Welt der AUVs möglich ist. Dr. Rajan ist mit Porto in Portugal verbunden und wird in einer Vision der norwegischen Universität NTNU (ungefähr 50-mal) ausführlich zitiert, deren geplante Nutzung kleiner Satelliten (SmallSats) zur Kontrolle von AUVs geplant ist. Post-Docs, Doktoranden und Master-Studenten von NTNU stehen kurz vor ihrem Starttag von SmallSat. Danach werden die North Sea AUVs einen Schritt unternommen, um Daten für längere Zeit an Wissenschaftler an Land weiterleiten zu können. Sowohl SmallSats als auch AUVs verfügen über Hyperspektralkameras, die Chemikalien, Metalle, Plankton erkennen oder Arbeiten durchführen können.

Der in Kalifornien ansässige Professor Rajan ist ein erfahrener Wissenschaftler, der für das Planen, Ausführen und Erstellen autonomer Systeme und Robotik im Ames Research Center der NASA bekannt ist. Prof. De Sousa leitet ein internationales Netzwerk von AUV-engagierten Wissenschaftlern, ähnlich wie NTNUs. Beide haben hochentwickelte AUV-Labore. Die drei Forschungsgemeinschaften haben sich zusammengeschlossen, um dauerhafte AUV-Operationen, die von Mikro- oder Nano-Satelliten gesteuert oder verstärkt werden, zu machen - SmallSats von 10-100 Kilogramm oder 1-10 kg - eine Realität. Abgesehen von der Führung und Kontrolle vernetzter AUVS (und anderer Drohnen) in Masse, die auf Prof. De Sousa spezialisiert ist, wird gehofft, dass SmallSats für das Verständnis der Meere und die Meeresoperationen das tun wird, was das Internet für Marketing und sofortiges Wissen getan hat.

AUV-Steuerung
"Der größte Teil unserer Arbeit ist gemeinsam, und strategisch bewegen wir uns alle (NTNU, Porto, NASA) in dieselbe Richtung", sagt Dr. Rajan und fügt hinzu: "Das ist also sowohl institutionell als auch kollektiv." Rajan gibt zu, von Mars Rovers gewechselt zu haben AUVs auf See zu „steuern“, war schwieriger als erwartet. „Die Infrastruktur war mit den Aufgaben verbunden, die mit der Steuerung des Rover im Jahr 2004 und des Deep Space 1-Raumfahrzeugs im Jahr 1999 verbunden waren. Aber es ist ein bisschen schwierig, mit einem vernünftigen Schiff in einem Küstengebiet zu fahren, das bei hartem Wetter nicht trivial sein kann. Das verstehen die meisten Menschen nicht… Also, sowohl der Rover als auch ein AUV sind eine Erweiterung der menschlichen Sinne per se, aber es gibt noch viel mehr Arbeit, um zur See zu gelangen und Dinge zum Laufen zu bringen. “

Deshalb freuen sich Prof. Rajan, Prof. De Sousa (mit dem wir nicht in Kontakt gekommen sind) und ihre NTNU-Kollegen darauf, SmallSats zu lancieren: detaillierte, langjährige Meeresuntersuchungen. Dieser Fokus wird die Ozeanforschung revolutionieren. In den Netzwerken dieses Schwergewichtsforschungsnetzwerks sind die Einschränkungen von AUVs genau bekannt, und Forscher von Hawaii bis Hongkong werden bestätigen, dass es schwieriger ist, mit AUVs zu kommunizieren als mit Weltraumsonden und ihrer "Infrastruktur des Deep Space Network" Raumfahrzeug. “Auch wenn„ Macht ein wichtiges Manko ist “, ist es das Kommunikationsproblem, das diesen Dreiklang von Forschern nachts wach hält.

AUV-Netzwerker: Professor Joao Tasso de Sousa an Bord des Schiffes des Schmidt Ocean Institute, Falkor. Foto: Schmidt Ocean Institute

Portugiesischer Entdecker
Rajan hat recht mit Prof. Tasso: "Die Supermacht in AUVs und Marinerobotik ist unser enger Freund und Mitarbeiter, Joao Tasso (De Sousa)."
Tatsächlich ist Portugal ein Kraftwerk der Entwicklung und Forschung von AUV. Neben dem alle zwei Jahre stattfindenden autonomen IEEE OES Autonomen Unterwasserfahrzeug-Symposium bietet das Land sowohl Tasso's Underwater Systems & Technology Laboratory (LSTS) als auch die Forscher von INESCTEC an. Prof. De Sousa leitete kürzlich eine Expedition des Schmidt Ocean Institute an Bord seines Falkor-Forschungsschiffes, das mit mehreren Unterwasser- und Unterwasser-Robotern die Salzfront des Ozeans erkundete. Er war auch dafür bekannt, NATO-Marines über kombinierte AUV-Operationen zu unterrichten.

De Sousa ist ein Pionier und arbeitet weiterhin an der Verwaltung mehrerer autonomer Fahrzeuge gleichzeitig. Er hat mitgeholfen, kommerzielle Software und Forschersoftware zu entwickeln, die mobile Geräte zur einfachen Steuerung vernetzter AUVs enthält. Während die Anwendungen eines Tages die Überwachung von Massenmeeren, Masseninspektionen, Massenuntersuchungen oder massive Angriffe umfassen könnten, wurden bei der Meeresstudie AUVs (und Luftdrohnen) miteinander in Kontakt gebracht, die über einen Schiffs-Ozeancontroller miteinander in Kontakt standen. SmallSats könnte diese Expeditionen mit der eigenen Bandbreite der Forscher bereitstellen (die vorerst nur NTNU sind).

Netzwerk-AUVs benötigen Open-Source-Steuerungssoftware, wie sie von der U. von Porto LSTS entwickelt wurde. Mehrere AUVs, die über ihren eigenen Satelliten kommunizieren, können mit ihren an Bord befindlichen schnüffelnden Nutzlasten ein genaues Bild der dramatischen Veränderungen in einem riesigen Meeresgebiet in Echtzeit vermitteln. Oder sie können durch Erfassen, Abtasten oder Fotografieren feststellen, was der SmallSats spürt oder sieht . Das Schmidt-Institut zeichnete Prof. De Sousa-Teams auf, die "mehrere autonome Fahrzeuge einsetzen, um verschiedene physikalische, chemische und biologische Merkmale des Ozeans auf Zeit-Raum-Skalen zu finden, zu verfolgen und zu untersuchen, die bisher nicht allein durch Schiffs- oder Flugzeugstudien möglich waren". Mit ihren eigenen Spektralkameras würden die SmallSats dann eine weitere Schicht Echtzeitdaten hinzufügen.

Während der Schmidt-Reise „an Bord der KI“ wurde Rajans gemeinsamer Interessenbereich mit Prof. De Sousa genutzt, um AUVs, unbemannte Luftfahrzeuge und autonome Oberflächenschiffe zu koordinieren, die „komplexe Probenahmeaufgaben“ erledigten. Mehrere Fahrzeuge hätten „zeitweise“ in „kombinierter Anstrengung“ gearbeitet, überwacht und gesteuert durch Software namens „Ripples“ und „Neptus“. Um dies auf lange Sicht zu tun, benötigen Sie eine dedizierte Bandbreite für den erwarteten Torrent von Meeresdaten. Dafür benötigen Ihre AUVs eigene SmallSats im Weltraum.

Tiefe hinzufügen: das gesamte Spektrum an Meerblick. Abbildungen mit freundlicher Genehmigung von Professor Kanna Rajan

Supervisor in NASA-Qualität
Betritt die Norweger. Die für einige schwer zu ermittelnde Finanzierung und das Speichern und Verarbeiten riesiger Datenmengen (wie die Ergebnisse von seismischen Erhebungen) sind Teil des norwegischen Beitrags zur AUV und AUV-basierten Forschung.

Hinzu kommen eine wachsende SmallSat-Fakultät, zwei AIS-Satelliten und eine Handvoll "Weltraum" -Outfits, darunter auch einige mit militärischen Verbindungen. Während die Forscher aller drei "Schulen" - Porto, NASA und NTNU - groß und international sind, sind es die Norweger und ihr eingeladenes Talent, die der SmallSats-Triade den Weltraumschub geben werden. Es gibt auch NTNU-Studenten mit Satellitenstart-Erfahrung, und es gibt die Aufsicht von Prof. Rajan mit seiner kombinierten Weltraum- und Robotik-Erfahrung. Rajan ist als NTNU-Mitarbeiter, als NASA-Mitarbeiter und als Mitarbeiter der Universität von Porto aufgeführt. Er führte das New Millennium Deep-Space-One-Remote-Agent-Experiment (RAX) der NASA von 1999 aus und war 2003 als Chefermittler für den MAPGEN-Controller der Mars-Explorationsrovers für die Twin Rovers verantwortlich ”Gemäß einem NTNU-Text. Er war außerdem Hauptforscher für Autonomie am Monterey Aquarium Research Institute, wo er den auf AI basierenden eingebetteten T-REX-Controller für AUVs entwarf, entwickelte und implementierte sowie ein landgestütztes Unterstützungssystem.

Kostengünstige kommunikation

Während das norwegische AUV-Labor an der NTNU bereit ist, die großartige Errungenschaft eines SmallSat-Starts auf See zu dokumentieren, kann die Finanzierung der Norweger nicht überbewertet werden. Die Finanzierung übertrifft die EU-Mittel und leistet für die AUV und die ozeanographische Forschung in Norwegen, was das Schmidt-Institut für die Küstenfrontstudien von Porto und die Arbeit anderer ozeanografischer Forscher getan hat.

"Die Finanzierung ist ein ernstes Problem in der maritimen Robotik und / oder der Meeresforschung", schreibt Prof. Rajan. „In den USA haben wir mehrere Agenturen und Stakeholder, die glauben, dass sie etwas gegen den Ozean unternehmen müssen. Dazu gehören NSF, NOAA, DARPA, ONR, die alle Interessen haben, die sich überschneiden und miteinander konkurrieren. In Norwegen ist dies weniger der Fall, aber (der Forschungsrat Norwegen) hat bei der Rationalisierung des Finanzierungsprozesses gute Arbeit geleistet. Nicht so in den USA. Vergleichen Sie dies mit dem Gehen in den Weltraum - es gibt wirklich einen Einstiegspunkt. Und das ist die NASA. Daher ist der Prozess des Sendens eines Raumfahrzeugs viel besser verstanden, klarer und vernünftiger (über die US-amerikanischen National Academies) als häufig zur See zu gehen. “

Laut Prof. Rajan tendieren Weltraum-Agenturen dazu, ihre Fahrzeuge aus der Hölle zu bauen, während sie „riesige Summen“ für Doppelarbeit und Robustheit ausgeben. Das ist nicht ganz der norwegische SmallSats-Ansatz. In ihrem SmallSats-Whitepaper erkennt NTNU die Notwendigkeit an, sich auf kleine dedizierte Satelliten mit Kameras und Coms zu konzentrieren, anstatt periodische Bandbreite bei einem robusteren, aber kostspieligeren kommerziellen Satelliten anzufordern. NTNU weiß jedoch, dass die Finanzierung des Staates nicht immer bevorsteht. Daher haben sie sich auf ein SmallSat-Programm konzentriert, das zwischen 100.000 und 7 Millionen USD kostet.

Bargeld ist König auch für dieses Netzwerk von Giganten. AUVs machen die Ozeanforschung jedoch erschwinglich. In einem Missionsbrief für das Schmidt Ocean Institute schrieb Prof. Joao Borges de Sousa Folgendes: „Wir müssen nachhaltige Ozeanstudien mit beispielloser räumlicher und zeitlicher Auflösung entwickeln. Schiffe allein können nicht helfen, dieses Maß an Auflösung, Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit zu erreichen. “Möglicherweise hatte er bereits an„ SmallSats “gedacht, und Prof. Rajan der NASA ist sowohl dem NTNU-Zentrum für autonome Marineoperationen und -systeme (AMOS) als auch den von Portos angeschlossen Labor für Unterwassersysteme und -technologie.
Irgendwann zwischen diesem Frühjahr und 2020 wird ein norwegischer Werfer einen SmallSat senden, und es wird erwartet, dass die Nutzung parallel dazu zunimmt

die Verbreitung von AUVs. Ein norwegisches Weltraumzentrum überwacht bereits Satellitenstarts in Norwegen, einschließlich der von norwegischen Studenten, die ihre eigenen Mikrosatelliten (unter 1 kg) entwerfen. Die Vision von NTNU ist es, ein führendes Unternehmen von SmallSats zu sein, angefangen bei der Hyperspektralkamera, die aus handelsüblichen Teilen und Teilen hergestellt wurde, die sie selbst 3D-gedruckt haben.
Neben NTNU, der norwegischen Arktis, bereitet sich das insel Space Center für die Erweiterung seines Startprogramms SmallSat vor. Norske Nammo, ein Verteidiger, bereitet angeblich eine umweltfreundliche Mikrorakete vor, um SmallSats in vordefinierte Umlaufbahnen zu bringen.

Luft und Unterwasser: Eine Reihe von AUVs und Luftdrohnen wurden im Rahmen einer Vermessung der Meeresfronten des Schmidt Ocean Institute vernetzt. Foto: Schmidt Ocean Institute