Uma rede SmallSat AUV

William Stoichevski • 28 março 2019

Foto: Schmidt Ocean Institute

Adicionando profundidade: a gama completa de vistas do oceano. Ilustrações cortesia da professora Kanna Rajan

Mudando o mundo do AUV: A visão SmallSat da NTNU inclui sensoriamento hiperespectral de revestimento oceânico, a visualização deste para controle de solo e o roteamento de AUVs em rede. Imagem: NTNU

Há mais em uma rede global do que links de satélite e, no entanto, os especialistas em operações remotas conectados a satélites podem acumular enormes ganhos científicos e tecnológicos no mundo. Isso é o que está acontecendo em segundo plano - uma pequena rede dos melhores cientistas de todo o mundo está orquestrando as comunicações e a robótica que produzirão conquistas inovadoras no uso em rede de veículos subaquáticos autônomos, ou AUVs.

Se você entrar em contato com o professor Kanna Rajan, ele disse que não é o pesquisador mais importante do mundo, mas programou pelo menos duas missões a Marte e aconselha uma rede transatlântica de cientistas sobre o uso de AUVs e satélites. O Prof. Rajan sugere que o guru de controlo da rede AUV, o Professor João Tasso De Figueiredo Borges De Sousa, da Universidade do Porto, é o cara que mais gosta se estiver a pensar no que é possível no mundo dos AUVs. O Dr. Rajan é afiliado ao Porto em Portugal, e ele é longamente citado (cerca de 50 vezes) em uma declaração de visão escrita pela universidade norueguesa NTNU sobre o uso planejado de pequenos satélites, ou SmallSats, para controlar AUVs. Os pós-doutorandos, doutorandos e alunos de mestrado da NTNU estão chegando ao seu dia de lançamento do SmallSat, após o qual os AUVs do Mar do Norte terão dado um passo em direção à capacidade de transmitir dados para cientistas em terra por longos períodos. Tanto os SmallSats quanto os AUVs terão câmeras hiperespectrais capazes de detectar produtos químicos, metais, plânctons ou realizar pesquisas.

O Prof. Rajan, da Califórnia, é um cientista sênior conhecido por planejar, executar e criar sistemas autônomos e robóticos no Ames Research Center da NASA. O Prof. De Sousa lidera uma rede internacional de cientistas interessados em AUV, semelhante às NTNU's. Ambos têm laboratórios de AUV altamente evoluídos. As três comunidades de pesquisa se combinaram para tornar as operações de AUV duradouras controladas ou aumentadas pelos satélites Micro ou Nano - SmallSats de 10 a 100 kg ou 1 a 10 kg - uma realidade. Além do comando e controle de AUVS em rede (e outros drones) em massa, que é a especialidade do Prof. De Sousa, espera-se que a SmallSats faça para o entendimento do oceano e operações marítimas o que a Internet fez para marketing e conhecimento instantâneo.

Controle AUV
“A maior parte do nosso trabalho é conjunto e, estrategicamente, todos nós (NTNU, Porto, NASA) caminhamos na mesma direção”, afirma Rajan, acrescentando que “isso é institucional e coletivo”. “pilotar” AUVs no mar foi mais difícil do que o esperado. “A infra-estrutura veio com as tarefas associadas ao comando do Rover em 2004 e da espaçonave Deep Space 1 em 1999. Mas a questão básica de chegar a uma zona costeira em um navio razoável em clima que pode ser duro e não trivial de se trabalhar, é algo que a maioria das pessoas não entende… Então, sim, tanto o Rover quanto o AUV são uma extensão dos sentidos humanos em si, mas há muito mais trabalho envolvido em chegar ao mar e fazer as coisas funcionarem. ”

É por isso que o Prof. Rajan, o Prof. De Sousa (com quem não conseguimos entrar em contato) e seus colegas da NTNU estão ansiosos para lançar o SmallSats: exames oceânicos detalhados e de longa data. Esse foco vai revolucionar a pesquisa do oceano. Nas redes dessa rede científica de peso, as limitações dos AUVs são bem conhecidas, e pesquisadores do Havaí a Hong Kong atestarão que é mais difícil se comunicar com AUVs do que com sondas espaciais e sua “infra-estrutura de Rede de Espaços Profundos para Enquanto o “poder é uma lacuna importante”, também é o problema de comunicação que mantém essa tríade de pesquisadores acordados à noite.

Networker AUV: Professor João Tasso de Sousa a bordo do navio Schmidt Ocean Institute, Falkor. Foto: Schmidt Ocean Institute

Explorador português
Rajan está certo sobre o Prof. Tasso: “A superpotência em AUVs e robótica marinha é nosso amigo e colaborador, João Tasso (De Sousa).”
De facto, Portugal é uma potência do desenvolvimento e pesquisa do AUV. Além de sediar o Simpósio de Veículos Submarinos Autônomos IEEE OES, o país conta com o Laboratório de Tecnologia e Sistemas Submarinos da Tasso, ou LSTS, e os pesquisadores do INESCTEC. O Prof. De Sousa recentemente liderou uma expedição do Instituto Schmidt Oceânico a bordo de seu navio de pesquisa Falkor que explorou as frentes de salinidade do oceano usando múltiplos robôs aéreos e submarinos. Ele também é conhecido por ensinar naves da OTAN em operações combinadas de AUV.

De Sousa é pioneiro e continua a trabalhar no gerenciamento de múltiplos veículos autônomos simultaneamente. Ele ajudou a desenvolver software comercial e de pesquisa que incorpora dispositivos móveis para fácil controle de AUVs em rede. Enquanto as aplicações podem um dia incluir vigilância em massa do oceano, inspeção em massa, levantamento em massa ou ataque em massa, o estudo oceânico envolveu AUVs (e drones aéreos) em contato uns com os outros através de um controlador oceânico baseado em navios. SmallSats poderia fornecer essas expedições com a largura de banda dedicada dos próprios pesquisadores (entendida como sendo apenas NTNU, por enquanto).

Os AUVs de rede necessitam de software de controlo de código aberto como o desenvolvido pelo LSTS da U. of Porto. Vários AUVs que se comunicam via satélite podem, com suas cargas úteis de sniffing a bordo, transmitir em tempo real um quadro preciso das mudanças dramáticas que se desenvolvem em uma vasta área oceânica: ou podem confirmar sentindo, amostrando ou fotografando o que os SmallSats percebem ou veem . O Instituto Schmidt narrou as equipes do Prof. De Sousa que implantaram “vários veículos autônomos para encontrar, rastrear e amostrar várias características físicas, químicas e biológicas do oceano, em escalas de tempo-espaço não anteriormente possíveis apenas por estudos de navios ou aeronaves”. Dadas suas próprias câmeras espectrais, o SmallSats adicionaria outra camada de dados em tempo real.

Durante a jornada de Schmidt, “onboard AI”, a área de interesse compartilhada de Rajan com o Prof. De Sousa, foi usada para coordenar AUVs, veículos aéreos não tripulados e embarcações autônomas de superfície fazendo “tarefas complexas de amostragem”. Dizia-se que vários veículos “às vezes” trabalhavam em “esforço combinado”, monitorados e controlados pelo software denominado Ripples and Neptus. Para fazer isso a longo prazo, você precisa de largura de banda dedicada para a esperada torrente de dados oceânicos. Para conseguir isso, seus AUVs precisam de seus próprios SmallSats no espaço.

Adicionando profundidade: a gama completa de vistas do oceano. Ilustrações cortesia da professora Kanna Rajan

Supervisor de qualidade da NASA
Digite os noruegueses. Financiamento que é difícil de entender, para alguns, e experiência de armazenamento e processamento de grandes volumes de dados (como os resultados de pesquisas sísmicas) fazem parte da contribuição da Noruega para a pesquisa baseada em AUV e AUV.

Acrescente a isso um crescente corpo docente do SmallSat, dois satélites AIS e um punhado de equipamentos “espaciais”, incluindo alguns com laços militares. Embora o pesquisador de todas as três “escolas” - Porto, NASA e NTNU - seja grande e internacional, são os noruegueses e seus talentos convidados que fornecerão o impulso do lado da tríade do SmallSats. Há também alunos da NTNU com experiência em lançamento de satélites, e depois há a supervisão do Prof. Rajan com sua experiência combinada de espaço e robótica. Rajan é listado como funcionário da NTNU, funcionário da NASA e associado da U. do Porto. Ele executou o Experimento de Agente Remoto do Novo Espaço Profundo do Novo Milênio (RAX) de 1999 da NASA e foi o principal investigador do controlador MAPGEN de Exploração de Marte 2003 para os robôs - o mais antigo sistema de IA em qualquer lugar e ainda no comando do Opportunity rover em Marte ”, De acordo com um texto NTNU. Ele também foi pesquisador principal de autonomia no Instituto de Pesquisa do Aquário de Monterey, onde projetou, construiu e implantou o controlador autônomo T-REX baseado em AI em AUVs, bem como um sistema de suporte baseado em terra!

Comunicações econômicas

Enquanto o laboratório norueguês de AUV na NTNU está prestes a registrar a grande conquista de um lançamento SmallSat no mar, o financiamento dos noruegueses não pode ser exagerado. O financiamento supera os fundos da UE e, para a AUV e a pesquisa oceanográfica na Noruega, o que o Instituto Schmidt fez para o estudo das frentes marítimas do Porto e o trabalho de outros pesquisadores oceanográficos.

“O financiamento é uma questão séria em fazer robótica marinha e / ou ciências do oceano”, escreve o Prof. Rajan. “Nos EUA, temos várias agências e partes interessadas que acreditam que precisam fazer algo sobre o oceano. Isso inclui NSF, NOAA, DARPA, ONR, todos os quais têm interesses que se cruzam e competem. Na Noruega, isso é menos, mas (o Conselho de Pesquisa da Noruega) fez um bom trabalho em agilizar o processo de financiamento. Não é assim nos EUA. Compare isso com o espaço - há realmente um ponto de entrada. E isso é a NASA. Assim, o processo de envio de uma espaçonave é muito melhor compreendido, mais claro e mais razoável (através das Academias Nacionais dos EUA) do que ir ao mar, com muita frequência ”.

Prof Rajan diz que as agências espaciais também tendem a engendrar o inferno fora de seus veículos, gastando "enormes somas de dinheiro" na duplicação e robustez. Isso não é bem a abordagem da Norwegian SmallSats. Em seu white paper SmallSats, a NTNU reconhece a necessidade de se concentrar em pequenos satélites dedicados com câmeras e coms ao invés de pedir uma largura de banda periódica em um satélite comercial mais robusto, mas caro. No entanto, dando à pesquisa, a NTNU sabe que as finanças do estado nem sempre estão disponíveis. Então, eles se concentraram em um programa SmallSat que custará entre US $ 100.000 e US $ 7 milhões.

O dinheiro é rei, mesmo para esta rede de gigantes. No entanto, os AUVs tornam a pesquisa oceânica de escala acessível. Em uma missão breve para o Schmidt Ocean Institute, o Prof. João Borges de Sousa escreveu o seguinte: “Precisamos desenvolver estudos oceânicos sustentados com resolução espacial e temporal sem precedentes. Navios sozinhos não podem ajudar a alcançar esses níveis de resolução, escala e viabilidade econômica. ”Ele já deve estar pensando em“ SmallSats ”, e o Prof. Rajan da NASA é afiliado tanto ao Centro de Operações e Sistemas Marítimos Autônomos (AMOS) quanto ao Porto de NTNU. Laboratório de Sistemas Submarinos e Tecnologia.
Em algum momento entre esta primavera e 2020, um lançador norueguês enviará um SmallSat, e então espera-se que o uso se amplie em conjunto com o SmallSat.

a proliferação de AUVs. Um Centro Espacial Norueguês já supervisiona lançamentos de satélites na Noruega, incluindo os de estudantes noruegueses que projetam seus próprios micro satélites (menos de 1 kg). A visão declarada da NTNU é ser um líder do SmallSats, começando com a câmera hiperespectral que eles construíram usando peças prontas e peças impressas em 3D.
Além da NTNU, o Centro Espacial da Noruega, quase ártico, está se preparando para expandir seu programa de lançamento SmallSat. A equipe de defesa, Norske Nammo, está supostamente preparando um micro-foguete ecológico para transportar SmallSats em órbitas pré-definidas.

Aérea e subaquática: uma variedade de AUVs e drones aéreos foram conectados em rede durante uma pesquisa do Instituto Schmidt Ocean de frentes marítimas. Foto: Schmidt Ocean Institute