L’AUTONOMIE BORD, EVOLUTION ET TENDANCES

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

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

3. 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

4. Introduction • 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 mais... • 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

5. 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 Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Pour réduire le coût des opérations 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

6. 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 Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ? Pour améliorer la disponibilité 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

7. 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

8. 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

9. 1980 1990 2000 2010 2020 ? Evolution du niveau de dialogue bord-sol commandesimmédiates plans de TCdatées macro-commandes OBCP requêtes 1970 • 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

10. 1980 1990 2000 2010 2020 datation ? Evolution de l’autonomie bord (1) pas de date bord date bord recalé par le sol chaque jour date fournie par le bord (DORIS, GPS) 1970 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 ? stabilisation 3 axes séquence d’acquisition autonome senseurs d’attitude autonomes satellite spinné JFPDA 12 mai 2006

11. 1980 1990 2000 2010 2020 guidage ? Evolution de l’autonomie bord (2) pas de guidage guidage calculé par le sol guidage bord à partir des données navigateur 1970 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

12. 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

13. superviseur de l’exécution Objectifsprédéfinis contraintes gestion des anomalies /diagnostic Deep Space One, pionnière de l’autonomie Première du programme, la sonde Deep Space One, lancée en octobre 1998 Approche radicale sur l’autonomie Remote Agent Impacts système et culturel sous-estimés Real-TimeExecution 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

14. 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

15. 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

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

17. nombre événements captés volume de données transmis 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 multiplié par 100 entre nov 2004 et juillet 2005: 2600 prises de vue autonomes coûts d’opération réduits JFPDA 12 mai 2006

18. Tendances 1995 - 2010 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

19. 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

20. Axes de recherche Facteurs humains • 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