2023. gadā NASA plāno uzsākt Europa Clipper misija, robotu pētnieks, kurš pētīs Jupitera mīklaino mēnesi Europa. Šīs misijas mērķis ir izpētīt Europa ledus čaumalu un interjeru, lai uzzinātu vairāk par Mēness sastāvu, ģeoloģiju un mijiedarbību starp virsmu un pazemes virsmu. Galvenokārt šīs misijas mērķis ir noskaidrot, vai dzīve varētu pastāvēt Eiropas iekšējā okeānā.
Tas rada daudz izaicinājumu, no kuriem daudzi rodas no fakta, ka Europa Clipper būs ļoti tālu no Zemes, kad tā veiks savas zinātniskās operācijas. Lai to risinātu, NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL) un Arizonas štata universitātes (ASU) pētnieku grupa izstrādāja mašīnmācīšanās algoritmu sēriju, kas misijai ļaus misijai izpētīt Eiropu ar zināmu autonomijas pakāpi.
Par to, kā šie algoritmi varētu palīdzēt turpmākajām dziļā kosmosa izpētes misijām, tika runāts pagājušajā nedēļā (7. augustā) 25. ACM SIGKDD konferencē par zināšanu atklāšanu un datu ieguvi Ankoridžā, Aļaskā. Šī ikgadējā konference pulcē pētniekus un praktiķus datu zinātnes, datu ieguves un analītikas jomā no visas pasaules, lai diskutētu par jaunākajiem sasniegumiem un pielietojumiem šajā jomā.
Runājot par to, saziņa ar kosmosa misijām ir laikietilpīgs un sarežģīts darbs. Sazinoties ar misijām uz Marsa virsmas vai orbītā, var paiet signāls līdz 25 minūtēm, lai tās sasniegtu no Zemes (vai atkal atpakaļ). Signālu sūtīšana uz Jupiteru, no otras puses, var ilgt no 30 minūtēm līdz pat stundai, atkarībā no tā, kur tā atrodas orbītā attiecībā pret Zemi.
Kā autori atzīmē savā pētījumā, kosmosa kuģu darbības parasti tiek pārraidītas iepriekš izplānotā skriptā, nevis ar reāllaika komandām. Šī pieeja ir ļoti efektīva, ja ir zināma atrašanās vieta, vide un citi faktori, kas ietekmē kosmosa kuģi, vai to var iepriekš paredzēt. Tomēr tas arī nozīmē, ka misijas kontrolieri nevar reaģēt uz negaidītām notikumiem reālā laikā.
Kā NASA JPL Mašīnmācības un instrumentu autonomijas grupas galvenais pētnieks Dr. Kiri L. Vāgtafs paskaidroja kosmosa žurnālam pa e-pastu:
“Izpētīt pasauli, kas ir pārāk tāla, lai ļautu tieši kontrolēt cilvēku, ir izaicinājums. Visas darbības jāveic iepriekš. Ātra reakcija uz jauniem atklājumiem vai izmaiņām vidē prasa, lai pats kosmosa kuģis pieņemtu lēmumus, ko mēs saucam par kosmosa kuģu autonomiju. Turklāt, darbojoties gandrīz miljarda kilometru attālumā no Zemes, datu pārraides ātrums ir ļoti zems.
“Kosmosa kuģa spēja vākt datus pārsniedz to, ko var nosūtīt atpakaļ. Tas rada jautājumu par to, kuri dati būtu jāapkopo un kā tiem vajadzētu būt prioritāriem. Visbeidzot, Europa gadījumā kosmosa kuģi bombardēs arī intensīvs starojums, kas var sabojāt datus un izraisīt datora atiestatīšanu. Lai tiktu galā ar šīm briesmām, nepieciešama arī autonoma lēmumu pieņemšana. ”
Šī iemesla dēļ doktore Wagstaff un viņas kolēģi sāka meklēt iespējamās metodes borta datu analīzei, kas darbotos visur, kur un kad tieša cilvēku uzraudzība nav iespējama. Šīs metodes ir īpaši svarīgas, risinot retus, īslaicīgus notikumus, kuru iestāšanos, atrašanās vietu un ilgumu nevar paredzēt.
Tajos ietilpst tādas parādības kā putekļu velni, kas novēroti uz Marsa, meteorīta triecieni, zibens uz Saturnu un apledojušie plūdi, ko izstaro Enceladus un citi ķermeņi. Lai to risinātu, doktore Wagstaff un viņas komanda apskatīja jaunākos sasniegumus mašīnmācīšanās algoritmu izstrādē, kas ļauj automatizēt un nodrošināt neatkarīgu lēmumu pieņemšanu skaitļošanā. Kā teica Dr. Vāgnefs:
“Mašīnmācīšanās metodes ļauj kosmosa kuģim pašam pārbaudīt datus, kad tie tiek savākti. Tad kosmosa kuģis var noteikt, kuri novērojumi satur interesējošus notikumus. Tas var ietekmēt lejupvērstās saites prioritāšu piešķiršanu. Mērķis ir palielināt iespēju, ka vispirms tiks atmesti interesantākie atklājumi. Kad datu vākšana pārsniedz pārsūtīto, kosmosa kuģis pats var iegūt papildu datus vērtīgiem zinātniskiem tīrradņiem.
Borta analīze var arī dot iespēju kosmosa kuģim izlemt, kurus datus vākt nākamībā, pamatojoties uz jau atklāto. Tas tika pierādīts Zemes orbītā, izmantojot Autonomous Sciencecraft eksperimentu, un uz Marsa virsmas, izmantojot AEGIS sistēmu uz Mars Science Science Laboratory (Curiosity) rovera. Autonoma, atsaucīga datu vākšana var ievērojami paātrināt zinātnisko izpēti. Mūsu mērķis ir šo spēju attiecināt arī uz ārējo Saules sistēmu. ”
Šie algoritmi tika īpaši izstrādāti, lai palīdzētu trīs veidu zinātniskos pētījumos, kuriem būs ārkārtīgi liela nozīme Europa Clipper misija. Tie ietver termisko anomāliju (siltu plankumu), kompozīcijas anomāliju (neparastu virsmas minerālu vai nogulšņu) noteikšanu un ledus vielas aktīvās atliekas no Eiropas virszemes okeāna.
"Šajā iestatījumā aprēķins ir ļoti ierobežots," sacīja Dr Wagstaff. “Kosmosa kuģa dators darbojas līdzīgā ātrumā kā galddators no 1990. gadu vidus līdz beigām (~ 200 MHz). Tāpēc mēs esam noteikuši prioritāti vienkāršiem, efektīviem algoritmiem. Blakus ieguvums ir tas, ka algoritmus ir viegli saprast, ieviest un interpretēt. ”
Lai pārbaudītu savu metodi, komanda piemēroja savus algoritmus gan modelētiem datiem, gan novērojumiem no iepriekšējām kosmosa misijām. Tie ietvēra Galileo kosmosa kuģis, kurš veica Europa spektrālos novērojumus, lai uzzinātu vairāk par tā sastāvu; Cassini kosmosa kuģis, kas tvēra plūmju aktivitātes attēlus uz Saturna mēness Enceladus; un Jauni horizonti kosmosa kuģu attēli par vulkāniskām aktivitātēm uz Jupitera mēness Io.
Šo testu rezultāti parādīja, ka katrs no trim algoritmiem demonstrēja pietiekami augstu veiktspēju, lai sekmētu zinātnes mērķu sasniegšanu, kas izklāstīti 2011. gada planētu zinātnes desmitgades apsekojumā. Tie ietver “iekšējā okeāna klātbūtnes apstiprināšanu, satelīta ledus apvalka raksturošanu un tā ģeoloģiskās vēstures izpratnes nodrošināšanu” vietnē Europa, lai apstiprinātu “ārējās Saules sistēmas potenciālu dzīvesvietā”.
Turklāt šiem algoritmiem var būt tālejoša ietekme uz citām robotizētām misijām dziļo kosmosa galamērķos. Ārpus Eiropas un Jupitera pavadoņu sistēmas NASA cer izpētīt Saturna pavadoņus Enceladus un Titānu, lai meklētu iespējamās dzīvības pazīmes tuvākajā nākotnē, kā arī galamērķus, kas atrodas vēl tālāk (piemēram, Neptūna mēness Tritons un pat Plutons). Bet pieteikumi neapstājas ar to. Wagstaff izteicās:
“Kosmosa kuģa autonomija ļauj mums izpētīt, kurp cilvēki nevar aiziet. Tas ietver attālus galamērķus, piemēram, Jupiteru, un vietas ārpus mūsu pašu Saules sistēmas. Tas ietver arī ciešāku vidi, kas ir bīstama cilvēkiem, piemēram, jūras dibena dibenu vai augstu radiācijas līmeni šeit uz Zemes. ”
Nav grūti iedomāties tuvāko nākotni, kurā daļēji autonomās robotizētās misijas spēj izpētīt Saules sistēmas ārējo un iekšējo robežu bez regulāras cilvēku uzraudzības. Raugoties nākotnē nākotnē, nav grūti iedomāties laikmetu, kurā pilnībā autonomi roboti spēj izpētīt ārpus saules planētas un nosūtīt savus atradumus uz mājām.
Un pa to laiku daļēji autonoms Europa Clipper varētu atrast pierādījumus tam, ka mēs visi gaidām! Tie būtu biosaraksti, kas pierāda, ka ārpus Zemes patiešām ir dzīvība!
