Neue Algorithmen könnten die Sicherheit autonomer Raumfahrzeuge verbessern

Im Laufe der Menschheitsgeschichte hat der Himmel für die Menschheit Vorstellungen von einer riesigen Leere hervorgerufen, von einer großen leeren Kuppel, die tagsüber von der Sonne und nachts von zahlreichen kleinen Lichtpunkten (und gelegentlich vom Mond) unterbrochen wird. Da wir uns sowohl physisch mit Raumfahrzeugen als auch optisch mit einer Reihe von Teleskoptechnologien in den Weltraum vorgewagt haben, wissen wir heute, dass es dort oben ziemlich viel Zeug gibt.

Diese Entdeckung hat tiefgreifende Auswirkungen auf die Luft- und Raumfahrtindustrie. Man stelle sich beispielsweise vor, ein mehrere Milliarden Dollar teures autonomes Raumschiff, das jahrelang sorgfältig entworfen und konstruiert wurde, wird unter Einhaltung präziser Berechnungen in den Weltraum geschossen, verliert dann aber einen seiner Triebwerke und kollidiert mit einem Asteroiden.

Bisher haben Ingenieure mit möglichen Geräteausfällen an Bord von Raumfahrzeugen auf zwei Arten umgegangen: Erstens, indem sie einen „Sicherheitsmodus“ eingerichtet haben, in dem sich das Raumfahrzeug möglichst wenig Schaden zufügen kann, während Wissenschaftler am Boden die Daten überprüfen, eine Diagnose erstellen und eine Lösung entwickeln. Und zweitens, indem sie autonome Fahrzeuge mit redundanten Systemen ausstatten. Diese ermöglichen es einem Raumfahrzeug beispielsweise, ein defektes Triebwerk abzuschalten und Ersatztriebwerke zu verwenden.

Im Weltraum können jedoch gefährliche Situationen ohne Vorwarnung auftreten und es bleibt nicht genügend Zeit für die Kommunikation zwischen Weltraum und Boden. Und obwohl redundante Systeme recht effektiv sind, erhöhen sie die Kosten und das Gewicht autonomer Raumfahrzeuge.

Aus diesem Grund werden im Labor von Soon-Jo Chung, Bren-Professor für Kontroll- und dynamische Systeme und leitender Wissenschaftler am JPL, das Caltech für die NASA leitet, Experimente durchgeführt, um die Notfallfunktionen autonomer Fahrzeuge so zu optimieren, dass sie Begegnungen mit anderen Objekten in Echtzeit diagnostizieren und sicher darauf reagieren können. Mit neuen Algorithmen an Bord können Raumfahrzeuge ihre eigene Ausrüstung testen und vorhersagen, welche zukünftigen Aktionen am wahrscheinlichsten ihren sicheren Betrieb gewährleisten.

Einer der Projektleiter, Fred Hadaegh, Forschungsprofessor für Luft- und Raumfahrt am Caltech und ehemaliger Cheftechnologe des JPL, erklärt: „Redundante Systeme sind nicht immer praktisch. Das bedeutet, dass das Raumfahrzeug größer, schwerer und teurer sein muss, als es sonst der Fall wäre. Die Idee dabei ist, dass ein Raumfahrzeug, wenn es auf ein Problem stößt, herausfinden kann, was nicht funktioniert, und diesen speziellen Fehler korrigieren oder sich darauf einstellen kann.“

Chungs Labor beherbergt unter anderem eine hochmoderne Einrichtung zur Simulation der Dynamik mehrerer Raumfahrzeuge.

„Der Simulator befindet sich in einem großen Raum mit einem sehr flachen Boden“, erklärt James Ragan, Doktorand in den Graduate Aerospace Laboratories des California Institute of Technology (GALCIT) und Hauptautor eines neuen Artikels zu diesem Thema. „Das Modell des Raumfahrzeugs verwendet Luftlager, sodass es sich nahezu reibungslos über den Boden bewegt. Im Ruhezustand scheint es zu schweben, und wenn man es in eine Richtung schiebt, bewegt es sich weiter, bis es auf etwas trifft. So ist die Dynamik des Weltraums.“

Ragan hat den Roboter-Raumschiffsimulator mit dem programmiert, was er und seine Co-Autoren s-FEAST nennen: Safe Fault Estimation via Active Sensing Tree Search. „Unser s-FEAST-Algorithmus ‚träumt‘ schnell von zahlreichen möglichen Zukünften, die sich aus den Aktionen ergeben könnten, die er jetzt unternimmt“, sagt Ragan.

„Weil das System laut ist, sind diese Zukunftsszenarien ungewiss. Es gibt mehrere mögliche Ergebnisse, was zu einem Baum von möglichen, sich verzweigenden Zukunftsszenarien führt. Jeder Zweig stellt eine mögliche Art und Weise dar, wie die Zukunft eintreten könnte, basierend auf Dingen, die das Raumfahrzeug kontrolliert – den Testaktionen, die es auswählt – und auch auf Dingen, die es nicht kontrolliert, wie etwa Beobachtungen von fehlerhaften Sensoren.“

Chung fügt hinzu: „Das Innovative an unserer s-FEAST-Methode ist, dass wir das Henne-Ei-Problem der Schätzung von Fahrzeugzuständen wie Position und Geschwindigkeit systematisch lösen und daraus auf Fehler oder Verschlechterungen schließen, die untrennbar miteinander verbunden sind.“

Wenn die Raumsonde unerwartete Daten erkennt, greift sie auf den s-FEAST-Algorithmus zu, der Testaktionen ausführt, „ähnlich wie Sie Ihre Muskeln sorgfältig testen, wenn Sie einen unerwarteten Schmerz verspüren und herausfinden möchten, was genau weh tut und wie Sie Aktionen vermeiden können, die Ihnen noch mehr Verletzungen zufügen könnten“, erklärt Ragan.

s-FEAST durchspielt gleichzeitig eine Reihe möglicher Zukunftsszenarien und wählt daraus die Vorgehensweise aus, die am wahrscheinlichsten die Ursache des Problems zu diagnostizieren und gleichzeitig die Gefahr zu vermeiden scheint. Bei diesem Modell ist die Gefahr gleichbedeutend mit einem Kollisionskurs mit einem Asteroiden.

„Die Schlüsselidee dabei ist, dass s-FEAST nicht alle Raumfahrzeugoperationen ersetzt. Es ist Ihre Notfallreaktion“, sagt Ragan. „Das Raumfahrzeug empfängt ein internes Signal, dass etwas nicht stimmt, also übernimmt s-FEAST die gesamte Rechenleistung des Raumfahrzeugs, um schnell zu beurteilen, was los ist, und Abhilfemaßnahmen zu ergreifen. Sobald die Gefahr lokalisiert und behoben ist, übergibt s-FEAST die Kontrolle an die normale Computerumgebung des Raumfahrzeugs zurück.“

s-FEAST kann auch proaktiv eingesetzt werden. Angenommen, ein autonomes Raumfahrzeug steht kurz davor, eine besonders riskante oder unternehmenskritische Aktion durchzuführen. s-FEAST kann vor dieser Aktion einen Testzyklus ausführen, um sicherzustellen, dass alle Systeme ordnungsgemäß funktionieren.

Chung und seine Co-Autoren gehen davon aus, dass die vorgeschlagene Methode eine neue Möglichkeit darstellt, teure Weltraumforschung sicherer und kostengünstiger zu machen. „Weltraumsysteme machen autonome Operationen notwendig, da wir Raumfahrzeuge und Marshubschrauber, die in einer weit von uns entfernten Welt operieren, nicht greifen und reparieren können“, sagt Chung. „Der Weltraum ist unser ultimatives ‚Testgelände‘ für jede Autonomieforschung, die wir für erdgebundene Fahrzeugsysteme betreiben.“

Wenig überraschend wurde der s-FEAST-Algorithmus, der im Raumfahrzeugsimulator funktionierte, vom Team so angepasst, dass er auch bei einem Bodenfahrzeug funktionierte. Beide Experimente verliefen erfolgreich, sodass die s-FEAST-Technologie sowohl für autonome Fahrzeuge auf der Erde als auch im Weltraum vielversprechend ist.

Die Forschung ist veröffentlicht im Journal Wissenschaft Robotik. Co-Autoren sind Ragan, Caltech-Postdoc Benjamin Rivière, Hadaegh und Chung.