L’AUTONOMIE BORD, EVOLUTION ET TENDANCES Marie-Claire CHARMEAU, Dominique SEGUELA

Architecture classique de commande-contrôle Introduction Architecture classique de commande-contrôle surveillance et commande récupération des données mission Centre de contrôle Centre de mission JFPDA 12 mai 2006

...il n’y aurait pas d’intelligence à bord ! Introduction si on disposait d’un satellite en visibilité permanente d’une station sol d’une liaison bord/sol de capacité illimitée d’un nombre illimité d’opérateurs d’une capacité de réaction immédiate ...il n’y aurait pas d’intelligence à bord ! JFPDA 12 mai 2006

meilleur « compromis bord/sol » à trouver pour chaque mission Introduction mais... les satellites ne sont pas en visibilité permanente contraintes géométriques (satellites à défilement), opérationnelles et budgétaires (réseau sol, centre de contrôle), disponibilité de la liaison bord/sol la liaison bord/sol a une capacité limitée contraintes techniques et légales (largeur de la bande de fréquence) les opérateurs sont en nombre limité contraintes budgétaires le temps de réaction nécessaire peut être incompatible avec la durée d’une boucle bord/sol oui, mais... le coût global de l’intelligence bord est élevé meilleur « compromis bord/sol » à trouver pour chaque mission JFPDA 12 mai 2006

Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Pour réduire le coût des opérations Hier et aujourd’hui contrôle continu ou pseudo continu pour les satellites d’applications (7j/7, 24h/24) heures et jours ouvrés pour les missions scientifiques Demain ou après-demain opérations nominales assurées en autonome à bord (yc pannes connues et reconfigurations) compte-rendu synthétique régulier : « tout va bien » si pb grave, liaison bord-sol à l’initiative du satellite et alerte opérateur Limites coût de validation système autonome / coût opérations système fiable de détection et d’alerte (satellite + relais et stations) maintien des compétences des opérateurs JFPDA 12 mai 2006

Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Pour améliorer la disponibilité Hier et aujourd’hui le FDI est fait par le bord, le R par le sol le satellite se met dans un état sain en attendant une reprise par le sol durée d’indisponibilité mission = jours Demain ou après-demain tout le FDIR est fait à bord la mission continue, éventuellement dégradée le sol est averti, pour une possible modification en différé Limites difficulté diagnostic fin, choix nouvelle configuration coût de validation FDIR à bord / indisponibilité mission puissance de calcul embarquable maintien des compétences des opérateurs JFPDA 12 mai 2006

Demain ou après-demain Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Pour améliorer la réactivité Hier et aujourd’hui la planification de la programmation est faite au sol la programmation est souvent faite au sol délai de réaction : heures Demain ou après-demain programmation de haut niveau par le sol (par objectifs) prise en compte d’événements détectés à bord pour (re)planification autonome Limites identification fiable des événements validation complète impossible puissance de calcul embarquable JFPDA 12 mai 2006

Sondes lointaines Vols en formation Nouvelles missions Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Parce qu’on n’a pas le choix Sondes lointaines boucle bord/sol = minutes, voire heures programmation mission autonome FDIR autonome notion de « fail op » : ne pas interrompre les opérations nominales même en cas de panne (ex: insertion en orbite Martienne) Vols en formation contrôle positions relatives à haute fréquence SCAO autonome (≠ COA Demeter) communications inter-satellites la formation est vue comme un seul objet Nouvelles missions Très forte réactivité détection et observation de phénomènes non prévisibles (ex : SWIFT pour les sursauts Gamma) JFPDA 12 mai 2006

Evolution du niveau de dialogue bord-sol 1970 1980 1990 2000 2010 2020 ? commandes immédiates plans de TC datées macro-commandes OBCP requêtes services bord nécessaires pour ce niveau de dialogue gestion du temps décomposition en commandes élémentaires interprète bord planification bord nombre de commandes SPOT 1 < 100 TC Myriade 350 TC Télécom NG 3000 TC ATV > 5000 TC JFPDA 12 mai 2006

Evolution de l’autonomie bord (1) 1970 1980 1990 2000 2010 2020 datation ? pas de date bord date bord recalé par le sol chaque jour date fournie par le bord (DORIS, GPS) 1970 1980 1990 2000 2010 2020 orbite ? pas d’orbite bord orbite bord recalée par le sol chaque jour navigateur bord « hors boucle » navigateur bord « dans la boucle » 1970 1980 1990 2000 2010 2020 attitude ? satellite spinné stabilisation 3 axes séquence d’acquisition autonome senseurs d’attitude autonomes JFPDA 12 mai 2006

Evolution de l’autonomie bord (2) 1970 1980 1990 2000 2010 2020 guidage ? pas de guidage guidage calculé par le sol guidage bord à partir des données navigateur 1970 1980 1990 2000 2010 2020 charge utile ? simple (on/off) charges utiles de plus en plus sophistiquées avec calculateur dédié et traitement bord 1970 1980 1990 2000 2010 2020 traitement de pannes ? ? mode survie et reconfiguration par le sol robustesse (fail-ops) ou repli graduel, stratégies de repli JFPDA 12 mai 2006

Les étapes vers une autonomie avancée 1994 la NASA lance le New Millennium Program pour tester en vol les technologies du futur EO-1 ST6 axe fort sur l’autonomie DS1 équipe de spécialistes en I.A. ST5 Objectif initial: réduire le coût des opérations technologies clés image tirée de nmp.jpl.nasa.gov tolérance aux fautes intelligence artificielle logiciel nouvelle génération JFPDA 12 mai 2006

Deep Space One, pionnière de l’autonomie Première du programme, la sonde Deep Space One, lancée en octobre 1998 Approche radicale sur l’autonomie contraintes Objectifs prédéfinis superviseur de l’exécution gestion des anomalies / diagnostic Remote Agent Impacts système et culturel sous-estimés Real-Time Execution Mission Manager Smart Executive Le Remote Agent fut finalement réduit à une expérimentation en vol d’une semaine Planner / Scheduler Mode ID and Reconfig Fault Monitors Résultats mitigés, mais ça marche! Planning Experts (incl. Navigation) poursuite et amélioration des technologies JFPDA 12 mai 2006

ANNULE Le projet Techsat 21 (1) Trois satellites radar volant en formation pour former un seul instrument virtuel Traitement bord des données, détection d'événements, de changement ANNULE MIR Model-based Identification Reconfiguration Superviseur d'exécution robuste en SCL* Projet mené par l’US Air Force Autonomous Sciencecraft Constellation fourni par le JPL Initialement prévu pour fin 2004 Gestion de la formation et des manoeuvres Planification continue CASPER * SCL = Spacecraft Command Language JFPDA 12 mai 2006

Exemple de scénario de démonstration envisagé Le projet Techsat 21 (2) Exemple de scénario de démonstration envisagé Surveillance d'un écoulement de lave à Hawaï Liste des cibles à surveiller CASPER Plan 1 image précédente détection de changement Nouvel objectif: image haute résolution de la nouvelle zone manoeuvres Exécution du plan prises de vue SCL Plan 2 CASPER tri des données vidage JFPDA 12 mai 2006

Le satellite EO-1 de la NASA eo1.gsfc.nasa.gov JFPDA 12 mai 2006

Autonomous Sciencecraft Experiment sur EO-1 Même principe que pour Techsat 21 mais un seul satellite Hyperion image collected near Cheyenne, WY displaying partly cloudy conditions with high thin clouds over snow covered hilly terrain. Instrument Hyperion utilisé pour détecter glace neige inondations points chauds nuages bleu= sans nuages orange= nuages d’altitude gris= nuages bas extrait de: Dan Mandl, Michael Griffin Validation of On-board Cloud Cover Assessment Using EO-1 opérationnel depuis novembre 2004 nombre événements captés volume de données transmis multiplié par 100 entre nov 2004 et juillet 2005: 2600 prises de vue autonomes coûts d’opération réduits JFPDA 12 mai 2006

Tendances 1995 - 2010 1995 2000 2005 2010 planification bord NASA NASA DS1 EO-1 (ASE) 1995 2000 2005 2010 NASA SWIFT PROBA ESA planification bord RAX CASPER IDEA EUROPA PROBA diagnostic bord MIR LIVINGSTONE LIVINGSTONE2 JFPDA 12 mai 2006

Algorithmes de décision embarquables Axes de recherche Algorithmes de décision embarquables Planification Diagnostic Coopération multi-agents pour constellation ou essaim Architecture décisionnelle / architecture logicielle Intégration d’algorithmes de décision dans une architecture bord Modèles de connaissance: comment assurer la cohérence? Validation d’architectures complexes JFPDA 12 mai 2006

Axes de recherche Facteurs humains Démonstration Comment lever les obstacles au passage à une autonomie avancée? Evolution des rôles, partage des responsabilités, maintien des compétences Démonstration démonstration en vol de contrôle d’orbite autonome (2005) démonstrateur sol de satellite autonome JFPDA 12 mai 2006