JFPDA – 12 mai 2006

L’AUTONOMIE BORD, EVOLUTION ET TENDANCES

Marie-Claire CHARMEAU,Dominique SEGUELA

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Architecture classique de commande-contrôle

Centre de contrôle Centre de mission

surveillance et commande

récupération des données mission

Introduction

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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 !

Introduction

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mais...

les satellites ne sont pas en visibilité permanentecontraintes 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 limitéecontraintes techniques et légales (largeur de la bande de fréquence)

les opérateurs sont en nombre limitécontraintes budgétaires

le temps de réaction nécessaire peut être incompatible avec la durée d’une boucle bord/sol

le coût global de l’intelligence bord est élevé

meilleur « compromis bord/sol » à trouver pour chaque mission

oui, mais...

Introduction

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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

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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

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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

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Pourquoi rendre les satellites plus autonomes ?

Parce qu’on n’a pas le choix

Sondes lointainesboucle 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 formationcontrôle positions relatives à haute fréquence

■ SCAO autonome (≠ COA Demeter)■ communications inter-satellites■ la formation est vue comme un seul objet

Nouvelles missionsTrès forte réactivité

■ détection et observation de phénomènes non prévisibles(ex : SWIFT pour les sursauts Gamma)

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Evolution du niveau de dialogue bord-sol1970

nombre de commandes

1980 1990 2000 20202010

commandesimmédiates

plans de TCdatées

macro-commandes

OBCP requêtes

services bord nécessaires pour ce niveau de dialogue

gestion du temps

décomposition en commandes élémentaires

interprète bord

planification bord

SPOT 1 < 100 TC

Myriade 350 TC

Télécom NG 3000 TCATV > 5000 TC

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Evolution de l’autonomie bord (1)1970

datation

1980 1990 2000 20202010

pas de date bord

date bord recalé par le sol chaque jour

date fournie par le bord (DORIS, GPS)

1970

orbite

1980 1990 2000 20202010

pas d’orbite bord

orbite bord recalée par le sol chaque jour

navigateur bord « hors boucle »

navigateur bord « dans la boucle »

1970

attitude

1980 1990 2000 20202010

satellite spinné

stabilisation 3 axes

senseurs d’attitude autonomes

séquence d’acquisition autonome

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Evolution de l’autonomie bord (2)1970

guidage

1980 1990 2000 20202010

pas de guidage

guidage calculé par le sol

guidage bord à partir des données navigateur

1970

charge utile

1980 1990 2000 20202010

simple (on/off)

1970

traitement de pannes

1980 1990 2000 20202010

? mode survie et reconfiguration par le sol

robustesse (fail-ops) ou repli graduel, stratégies de repli

charges utiles de plus en plus sophistiquées avec calculateur dédié et traitement bord

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image tirée de nmp.jpl.nasa.gov

Les étapes vers une autonomie avancée

DS1

EO-1

1994 la NASA lance le New

Millennium Program pour tester en vol les technologies du futur

ST6

ST5

axe fort sur l’autonomieéquipe de spécialistes en I.A.

Objectif initial:réduire le coût des opérations

tolérance aux fautes intelligence artificielle

logiciel nouvelle génération

technologies clés

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Deep Space One, pionnière de l’autonomie

Première du programme, la sonde Deep Space One, lancée en octobre 1998

Approche radicale sur l’autonomieImpacts système et culturel sous-estimés

Le Remote Agent fut finalement réduit à une expérimentation en vol d’une semaine

Remote Agent

Mission Manager

Mode ID and

Reconfig

Planner / Scheduler

Smart Executive

Planning Experts(incl. Navigation)

Fault Monitors

Real-TimeExecution

contraintes

Objectifs prédéfinissuperviseur de l’exécution

gestion des anomalies /diagnostic

Résultats mitigés, mais ça marche!

poursuite et amélioration des technologies

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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

MIRModel-based Identification

ReconfigurationSuperviseur d'exécutionrobuste en SCL*

* SCL = Spacecraft Command Language

Planification continueCASPER

Gestion de la formation et des manoeuvres

Projet mené par l’US Air Force

Autonomous Sciencecraft Constellation fourni par le JPL

Initialement prévu pour fin 2004

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Exemple de scénario de démonstration envisagé

Surveillance d'un écoulement de lave à Hawaï

Liste des cibles à surveiller

CASPERPlan

1image précédente

détection de changement

Nouvel objectif:

image haute résolution de la nouvelle zone

CASPERPlan

2SCL

Exécution du plan

manoeuvres

prises de vue

tri des données

vidage

Le projet Techsat 21 (2)

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Le satellite EO-1 de la NASA

eo1.gsfc.nasa.gov

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Autonomous Sciencecraft Experiment sur EO-1

Instrument Hyperion utilisé pour détecter

-glace

-neige

-inondations

-points chauds

-nuages

Même principe que pour Techsat 21 mais un seul satellite

opérationnel depuis novembre 2004

entre nov 2004 et juillet 2005: 2600 prises de vue autonomes

nombre événements captés

volume de données transmismultiplié par 100

coûts d’opération réduits

Hyperion image collected near Cheyenne, WY displaying partly cloudy conditions with high thin clouds over snow covered hilly terrain.

bleu= sans nuages

orange= nuages d’altitude

gris= nuages bas

Validation of On-board Cloud Cover Assessment Using EO-1

extrait de: Dan Mandl, Michael Griffin

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Tendances 1995 - 2010

1995 2000 2005 2010

DS1 EO-1 (ASE)

PROBASWIFT

ES

A

NA

SA

NA

SA

NA

SA

planification bord

diagnostic bord

RAX CASPERPROBA

IDEA EUROPA

MIR LIVINGSTONE LIVINGSTONE2

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Algorithmes de décision embarquables

■ Planification■ Diagnostic■ Coopération multi-agents pour constellation ou essaim

Axes de recherche

Architecture décisionnelle / architecture logicielle

■ Intégration d’algorithmes de décision dans une architecture bord■ Modèles de connaissance: comment assurer la cohérence?■ Validation d’architectures complexes

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Facteurs humains

■ Comment lever les obstacles au passage à une autonomie avancée?■ Evolution des rôles, partage des responsabilités, maintien des

compétences

Axes de recherche

Démonstration

■ démonstration en vol de contrôle d’orbite autonome (2005)■ démonstrateur sol de satellite autonome