Спутники, оснащенные технологией дистанционного зондирования, выполняют множество критически важных задач национальной безопасности, от обнаружения взрывов до отслеживания морского льда, но до сих пор у команды могли уйти годы, чтобы перейти от концепции к развертываемой космической системе.

Valhalla, платформа моделирования производительности на основе Python, разработанная в Sandia National Laboratories, использует высокопроизводительные вычисления для создания предварительных проектов спутников на основе требований миссии, а затем запускает эти проекты через тысячи симуляций. Результаты моделирования передаются в интерактивный многомерный видео-подобный вид спутников, выполняющих свою миссию, и сотни графиков, которые с первого взгляда показывают пользователю взаимосвязь между каждым из выходных и входных данных. Эти данные позволяют пользователю быстро найти решение, которое наилучшим образом выполняет поставленную задачу.

Valhalla уже использовалась для исследования космических систем для повышения безопасности в Арктике, изучения влияния нейроморфных вычислений на конструкцию космических систем, моделирования отслеживания и мониторинга гипотетической миссии по спасению беженцев в Средиземном море и других спутниковых миссий.

Джеймс Меуб, руководитель проекта Valhalla и аэрокосмический инженер , сказал, что междисциплинарной команде обычно требуются месяцы или даже годы, чтобы разработать предварительный проект спутника дистанционного зондирования или определить, как существующие спутники будут работать во время новой миссии. Команда пишет требования к миссии на основе того, что спутники должны будут обнаруживать и наблюдать, затем инженеры-оптики проектируют полезную нагрузку, а аэрокосмические инженеры проектируют транспортное средство.

«Возможность понять, как проектные решения и требования влияют на эти одновременные действия, является итеративной, трудоемкой и необходимой для создания надежного решения», — сказал Меуб. «Valhalla сокращает этот процесс, используя высокопроизводительные вычисления, чтобы помочь пользователю создать предварительный проект спутника или космической системы за несколько недель, а также может показать, как группы неидентичных спутников с разными характеристиками будут работать в новых комбинациях и сценариях.»

По словам Меуба, все чаще для миссий дистанционного зондирования рассматривается группа небольших спутников, работающих как система вместо одного большого спутника.

Адаптация спутниковой системы к требованиям миссии

Проектирование космической системы с помощью Valhalla похоже на настройку нового автомобиля онлайн. Член проектной группы посещает внутренний веб-сайт Sandia Valhalla и выбирает функции и детали, необходимые для выполнения миссии. Первый шаг — предоставить Valhalla требования миссии, которые можно разбить на количественные цели, в том числе:

• Определение необходимого уровня точности и детализации путем указания того, потребуется ли спутниковой системе обнаруживать, идентифицировать, классифицировать или связывать объекты или события.
• Выбор класса объекта или события для поиска, включая транспортные средства, взрывы, самолеты, лодки, космический мусор или другие спутники.
• Выбор частоты сбора данных или того, как часто система должна повторно посещать целевые объекты или события.
• Выбор модели движения цели. Потребуется ли системе отслеживать траекторию движения грузовиков из одного места в другое, или ей нужно будет наблюдать за интересующим городом, регионом или районом, или отслеживать объекты или события по всему миру?
• Указание любых ограничений. Например, может потребоваться, чтобы система была совместима с определенной внешней сетью.
• Выбор операционного центра миссии для передачи изображений и данных, полученных со спутника.

Меуб сказал, что после четкого определения требований миссии следующим шагом будет выбор таких деталей, как бортовые компьютеры, радиоприемники, аккумуляторы, реактивные колеса, датчики, двигательные баки и подруливающие устройства, а также приемники GPS из каталога компонентов, в котором на выбор около 2500 деталей.

По его словам, Valhalla берет все выбранные части и создает базовый проект спутника, используя закодированные документы управления интерфейсом, лучшие инженерные практики и логику, основанную на правилах. Он определяет полезную нагрузку, структуру, солнечные батареи и батареи, оптимизирует массу спутника и его совместимость с различными ракетами-носителями, а также создает условную компоновку внутренних компонентов спутника.

Один день в космосе

Затем Valhalla заполняет базовый проект группой спутников, часто называемых созвездием, и моделирует космическую систему, выполняющую миссию, запуская повседневную симуляцию модели мощности, сказал Меуб. Моделирование сравнивает показатели производительности миссии с целями космической системы и повторяет этот процесс тысячи раз, чтобы найти наилучший дизайн созвездия.

Valhalla также моделирует орбитальную динамику системы и гравитационные гармоники Земли, Луны и Солнца, чтобы имитировать космическую среду, в которой каждый спутник будет находиться в течение дня.

Меуб сказал, что при проектировании космической системы для конкретной миссии национальной безопасности необходимо учитывать тысячи переменных и взаимосвязей, что делает задачу хорошо подходящей для высокопроизводительных вычислений.

«Valhalla визуализирует взаимосвязь между переменными, чтобы пользователь мог видеть, как влияет на общую космическую систему изменение параметров, которые имеют отношение друг к другу», — сказал он. «Например, желаемая высота космического корабля повлияет на размер необходимого телескопа, и наоборот. По мере увеличения высоты спутника телескоп также должен стать более мощным, но системе потребуется меньше спутников, чтобы обеспечить достаточное зондирование. покрытия для выполнения своей миссии».

Создание интерактивных визуализаций данных для принятия решений

Данные моделирования подвергаются постобработке в кластере графических процессоров. Графический процессор берет все данные из моделирования и просматривает их, чтобы сопоставить показатели производительности по наборам переменных, чтобы создать N-мерную гиперповерхность, которая предоставляет пользователю сотни графиков, включая 3D-визуализацию созвездия, выполняющего свою миссию, повторное посещение и сбор статистика, совместимость ракет-носителей и смоделированные каналы спутниковой телеметрии.

«Это позволяет пользователям быстро анализировать данные моделирования», — сказал Меуб. «Все данные в надежном, удобоваримом формате — вы можете понять, почему одни запуски моделирования дают более высокие показатели производительности, чем другие. Это позволяет командам предоставлять решения для национальной безопасности для некоторых проектов за месяцы, а не годы».