استخدام أشعة الليزر للاتصال وتنسيق أسراب المركبات الفضائية

صورة العلاقات العامة للليزر تبث إلى المركبة الفضائية لأداء القيادة والسيطرة. الائتمان: Kalita وآخرون.

يمكن لأسراب المركبات الفضائية الصغيرة أن يكون لها مجموعة متنوعة من التطبيقات المثيرة للاهتمام ، لا سيما فيما يتعلق برصد الأرض والمواقع والاتصالات العالمية. مقارنة بالمركبة الفضائية الكبيرة ، توفر المركبات الفضائية الصغيرة فتحات أكبر ، مما يسمح بمراقبة أفضل للأهداف الأرضية والفضائية.

على الرغم من مزاياها الرائعة ، فإن التشغيل الفعال لعدد كبير من المركبات الفضائية في آن واحد أثبت حتى الآن أنه شديد الصعوبة. تعتمد الطرق الحالية عادة على عمل العديد من مشغلي الأرض ، والتي يمكن أن تكون مكلفة ، وبالتالي منع التكنولوجيا من التوسع.

قام فريق من الباحثين في جامعة أريزونا مؤخراً بتطوير طريقة جديدة لتنسيق ومراقبة أسراب المركبات الفضائية ، والتي يمكن أن تكون أسهل في التنفيذ على نطاق واسع. نهجهم ، المبين في ورقة ما قبل المنشور على arXiv ، يستخدم أشعة الليزر لتنظيم وإدارة سرب كبير من المركبات الفضائية.

وقال الباحثون الذين أجروا الدراسة لموقع TechXplore عبر البريد الإلكتروني: "لقد بحثنا في طرق للتحكم في الأسراب وعدد كبير من الروبوتات / الطائرات بدون طيار / المركبات الفضائية مع عدد قليل جدا من البشر في الحلقة لأكثر من 10 سنوات" . "بعض تقنياتنا مستقلة تمامًا مع عدم وجود أي إنسان في الحلقة ، وفي سيناريوهات أخرى لدينا بشر ورجال إنسان يتعايشون."

في عملهم السابق ، حاول الباحثون تطوير أساليب بديهية للتحكم بكفاءة من 10 إلى الآلاف من الروبوتات. لقد أرادوا أن تكون هذه الطرق بديهية لأن ذلك من شأنه تسهيل تدريب المشغلين ، مما يؤدي في نهاية المطاف إلى خفض مستويات التوتر لديهم ، لا سيما في أوقات الأزمات.

00:00

00:00

عرض فيديو لإيماءات الليزر المستخدمة للتحكم في روبوت ذي عجلات في المختبر.

وأوضح الباحثون أن "فكرتنا مستوحاة من دور موصل في الأوركسترا". "هذا الشخص واحد لديه مهمة تنسيق جهود العديد من الموسيقيين. نعتقد أن القياس لسيطرة العديد من الموسيقيين في وقت يناسب تماما مع السيطرة على العديد من المركبات الفضائية / الطائرات بدون طيار / UGVs الخ. لذلك بحثنا عن الطرق المادية التي يمكن للمرء أن تعمل يشبه إلى حد كبير الموصل في أوركسترا للسيطرة على المركبة الفضائية. لم يكن من الممكن وجود عصا ، ولكن استخدام أشعة الليزر كان بالتأكيد ذا مصداقية ".

التكنولوجيا التي طورها الباحثون يمكن أن تستشعر حزم الليزر على مركبة فضائية ، وذلك باستخدام الألواح الشمسية كأجهزة استشعار. يمكن للوحة الشمسية التي تولد الكهرباء تحت أشعة الشمس أن تستشعر ضوء الليزر بشكل مستقل. وتحدث الألواح الشمسية في أكبر مساحة سطحية على سواتل الفضاء ، ومن ثم يمكن أن تكون أجهزة الاستشعار المثالية للمركبات الفضائية.<

ولاحظ الباحثون أن الألواح الشمسية يمكن تقسيمها إلى مربعات صغيرة ، تشبه البكسلات على الشاشة ، والتي يمكن استخدامها لإحساس ضوء الليزر. قد يؤدي ضوء الليزر الذي يؤدي إلى الألواح الشمسية في أماكن مختلفة إلى أوامر مختلفة ، حيث تصبح اللوحة أشبه بشاشة تعمل باللمس على الهاتف الذكي. وكنسخة احتياطية ، وضع الباحثون أيضًا كاميراتًا رقمية على المركبة الفضائية بشكل استراتيجي ، للكشف عن حركة الليزر في الفضاء.

صورة هندسة التحكم في إيماءة الليزر. تشير الأقفال الملاحظة إلى التشفير لضمان فك التشفير / الترميز للرسائل. الائتمان: Kalita وآخرون.

يستخدم أسلوبهم حزم الليزر الموجهة من الأرض أو من مركبة فضائية للتحكم والقيادة لتنظيم وإدارة سرب كبير. سيكون لكل قمر صناعي في السرب "جلد ذكي" ، يتضمن الألواح الشمسية ودوائر الطاقة والتحكم ووحدة دفع ثانوية مدمجة. تتفاعل أشعة الليزر مع الألواح الشمسية على أعضاء فرديين من السرب ، مما يسمح للمشغل باختيار "قائد" بين مجموعة المركبات الفضائية ووضع معلمات لتشكيل الطيران.

وقال الباحثون: " يبدو أن التكنولوجيا التي ننتجها تبدو وكأنها مشهد من لعبة Ender's Book / الفيلم ، حيث لديك عدد قليل من المشغلين يتحكمون بالمئات والآلاف من المركبات الفضائية والروبوتات". "مع وجود هذه التقنية ، يمكن التحرك حول ضوء الليزر على الألواح الشمسية وللحصول على لوحة للإشارة إلى الإشارة المتحركة."

مثال على أوامر الإيماءات المطبقة على لوحة شمسية مركبة فضائية. الائتمان: Kalita وآخرون.


تعتمد الواجهة التي ابتكرها الباحثون كليًا على الإيماءات وحركات اليد ، ومن ثم فهي لا تتطلب عصي التحكم أو الترميز الشامل. باستخدام التكنولوجيا الخاصة بهم ، سيكون المشغل قادرا على تمرير رسالة إلى المركبة الفضائية ببساطة عن طريق "رسم" علامة أو إشارة خاصة على الألواح الشمسية.

"يمكن جعل نهجنا ليكون بديهية" ، وأوضح الباحثون. "على سبيل المثال ، إذا كنت ستقوم باختيار مركبة فضائية باستخدام ضوء الليزر هذا ، فأنت ببساطة ترسم دائرة سريعة على الألواح الشمسية باستخدام الليزر. يمكنك بالتالي أن يكون لديك أبجدية من الإيماءات والأوامر للقيام بكل أنواع الأوامر الأساسية والتحكم في يمكنك أن تقرر على مركبة فضائية رائدة وعلى مركبة فضائية تشكل جزءًا من المجموعة ، وفصلها إلى مجموعة واحدة أو أكثر ، ويمكنك رسم مسار / مسار وجعل مجموعة كاملة من المركبات الفضائية تتبع ذلك المسار ، وهكذا. "

وتستلزم معظم الأساليب القائمة للتحكم في أسراب المركبات الفضائية استخدام مطرافين ، واحد للمُشغلين والآخر للمركبة الفضائية ، يمكن التحكم فيه باستخدام عصا التحكم. يتم إعطاء الأوامر عادةً باستخدام خطوط أو مجموعات من التعليمات ، وهذا يسهل على المشغلين ارتكاب الأخطاء.

إن إرسال التعليمات الخاطئة إلى المركبة الفضائية يمكن أن تكون له عواقب كارثية ، مما قد يؤدي إلى إنهاء المهمة وتسبب في خسارة ملايين أو مليارات الدولارات. يمكن للنهج القائم على الإيماءة الذي ابتكره الباحثون تبسيط التحكم في أسراب المركبات الفضائية ، ومنع الأخطاء والارتباك المرتبط بالأمر.

وقال الباحثون "السيطرة على الأساطيل / أسراب من المركبات الفضائية أمر صعب ، لأنك تعمل في الأبعاد الثلاثة ، في الجاذبية الصغرى". "لا يوجد صعود أو هبوط أو ما إلى ذلك في الفضاء. نهجنا للتحكم في العديد من المركبات الفضائية يتجاوز مثل هذه المشاكل ، مما يجنب مشغلي البشر من الاضطرار إلى تصوير الأشياء وبدلا من السماح لهم بالتصرف مثل هذه الأعمال. ومن البديهي أن القلق الرئيسي الذي أثير كان أن المتسللين والأفراد الشائنة يمكن أن يتعلموا نفس الإيماءات ويسيطرون على أسطول من المركبات الفضائية ، ومع ذلك ، في نهجنا ، فإن الأمن ليس بعد ثانوي ، بل هو أساس النظام. "

بنية ذكية للبشرة تسمح للألواح الشمسية بفك شفرة الليزر ونقل الطاقة الخ. Credit: Kalita et al.

عند تطوير نظامهم ، أعطى الباحثون الأولوية لأمنهم. على سبيل المثال ، يمكن تشفير إشارات الليزر نفسها وتمريرها باستمرار سلسلة كلمة مرور معدلة. هذا يعني أنه على الرغم من أن مشغل آخر قد يكون قادرا على رؤية الإيماءات التي تنطوي عليها العملية ، فإنها تتطلب رموز الوصول لقيادة المركبات الفضائية الأخرى.

قد يحتاج المشغلون الذين يتعاملون مع سرب آخر من المركبات الفضائية القريبة إلى رؤية دلائل على إيماءات الأمر ، لأن ذلك سيساعد على تنسيق السرب إلى تفاعلات سرب. النهج الذي ابتكره الباحثون يسمح للمشغلين القريبين بعرض هذه الإيماءات ، لكن يمنعهم من اختراق النظام والتحكم في أسراب أخرى. بالنسبة للبعثات التي تتطلب مزيدًا من الأمان ، يمكن أيضًا تشفير الإشارات بشكل أكبر ، مما يمنع الآخرين من اكتشاف الأوامر.

وقال الباحثون: "في الإجمال ، يسمح هذا المقياس بتدريج درجة الشفافية عند قيادة أساطيل أو أسراب من المركبات الفضائية". "في بعض الحالات ، من المهم بالنسبة للآخرين أن يروا ما يحدث وأن يكونوا مدركين لأوامر الإيماءات التي يتم تنفيذها من أجل السلامة ، بينما في حالات أخرى ، يجب أن تكون آمنة تمامًا ومخبأة."

ويمكن أيضا تطبيق النهج الذي ابتكره الباحثون على أسراب أخرى روبوتية ، مثل مجموعات المركبات الجوية غير المأهولة (UAVs) ، والمركبات الأرضية غير المأهولة (UGVs) والمركبات تحت الماء. يعمل الفريق حاليًا على عروض تفاعلية في المختبر للتكنولوجيا باستخدام الروبوتات الأرضية.

وقال الباحثون "نحن نأمل في اظهار التكنولوجيا في العمل وللناس أن يكون لديهم تقدير أفضل لما تم وضعه في نظرية." "مع هذه المظاهرات الروبوتية ، ونحن باستمرار على التطلع إلى الرعاة والعملاء المحتملين."

نظرة عامة على روبوت المختبر. الائتمان: Kalita وآخرون.

في المستقبل ، يأمل الباحثون في المضي قدمًا في نهجهم بحيث يمكن استخدامه في إعدادات محددة ، على سبيل المثال للتطبيقات العسكرية وإدارة حركة المرور في الفضاء وتطبيقات السلامة والإنقاذ. كما نشروا مؤخرًا ورقة متابعة ، توضح خططهم لإظهار التقنية في الفضاء.

وقال الباحثون "خططنا الكبيرة للمضي قدما في عرض التكنولوجيا في الفضاء." "لدينا متعاونون مثل البروفيسور فيشنو ريدي الذي يمكن أن يساعدنا في مراقبة أسراب واحدة أو عدة أسراب من المركبات الفضائية باستخدام التلسكوبات الحديثة من الأرض. ويمكننا أيضًا تركيب هذه الليزرات للعمل في حفلة موسيقية باستخدام التلسكوبات للتحكم في م