Инженеры из Стэнфорда предложили новый способ автоматической стыковки космических аппаратов с МКС. В центре работы находится модель Out-of-this-World-Model, или OWM, которая не просто следует заранее прописанным уравнениям, а строит внутренние прогнозы будущего движения аппарата и цели.
Такая задача сложнее, чем кажется с Земли. Аппарат и станция движутся по орбите со скоростью около 28 000 километров в час, а попытка ускориться или затормозить меняет траекторию не так, как в обычном полете в атмосфере. Традиционные системы наведения используют физические модели, фильтры Калмана, данные GPS, звездные датчики и жестко настроенные алгоритмы управления. Они хорошо работают в понятных сценариях, но хуже справляются с видеопотоком, резкими тенями, бликами на солнечных панелях и изменением условий около станции.
OWM относится к классу world model. Такой алгоритм учится предсказывать, как будет развиваться среда, по собственному опыту в симуляции. Затем он выбирает команды управления, опираясь на вероятные будущие состояния. Авторы сравнивают это с тем, как спортсмен ловит мяч: человек не решает систему уравнений в голове, но умеет предвидеть траекторию по видимым признакам.
Для обучения исследователи создали библиотеку AstroJAX, которая ускоряет расчеты орбитальной динамики на графических процессорах. Это важно, потому что модели требуются сотни тысяч виртуальных сближений и стыковок. По данным статьи на arXiv, OWM освоила маневры примерно за 500 000 итераций, тогда как сопоставимой системе обучения с подкреплением понадобилось около 25 миллионов вариантов.
На испытаниях модель лучше переносила новые условия. Она пыталась стыковаться с ранее не встречавшимися портами МКС и устойчивее реагировала на препятствия, например на ситуацию, когда нужный порт уже занят другим кораблем. При этом технология пока далека от готовой бортовой системы. Успешность по всем портам станции составила около 53 процентов против 29 процентов у базового алгоритма обучения с подкреплением. Для реальной пилотируемой стыковки этого недостаточно.
Практический интерес работы шире МКС. Автоматическое сближение понадобится спутниковому обслуживанию, удалению космического мусора, инспекции аппаратов и будущим орбитальным сборочным работам. Если world model подход станет надежнее, он может дать малым аппаратам более гибкую навигацию рядом с крупными объектами, где ошибка в несколько метров уже критична.
