Najprościej mówiąc, telemetria to informacje przesyłane przez statek kosmiczny do operatorów na Ziemi. Dane pochodzą z wielu podsystemów i mogą obejmować m.in. temperatury, napięcia, pobór energii, stan baterii, działanie systemów komunikacyjnych, orientację satelity czy pracę jego instrumentów. Problem polega na tym, że współczesne satelity produkują coraz więcej danych.
Szczególnie w przypadku dużych konstelacji ręczne analizowanie wszystkich informacji przestaje być praktyczne. Operator nie może przecież obserwować osobno każdego parametru każdego satelity przez cały czas. Dlatego telemetria zaczyna pełnić inną funkcję. Nie chodzi już tylko o odpowiedź na pytanie, czy wszystko działa. Coraz ważniejsze staje się znalezienie odpowiedzi na pytanie, dlaczego dany parametr zaczął się zmieniać i czy może to oznaczać przyszłą awarię.
Najważniejsze dane to temperatura
Telemetria w kosmosie to jednak coś innego niż telemetria na Ziemi. Jednym z najważniejszych elementów telemetrii satelitów są dane dotyczące temperatury. W statku kosmicznym praktycznie każdy podsystem ma określony zakres temperatur, w którym może bezpiecznie pracować. NASA podkreśla, że kontrola temperatury jest jednym z podstawowych elementów konstrukcji statków kosmicznych. Stosuje się m.in. izolację wielowarstwową, grzejniki, radiatory, wymienniki ciepła czy bardziej zaawansowane układy transportujące energię cieplną.
W kosmosie problemem jest zarówno nadmiar, jak i niedobór ciepła. Nie może po prostu wykorzystać wentylatora czy chłodnicy powietrznej tak jak na Ziemi. Temperatura jest też szczególnie trudnym zagadnieniem ze względu na ciągłe zmiany warunków. Satelita znajdujący się na orbicie okołoziemskiej regularnie przechodzi z obszaru oświetlonego przez Słońce do cienia Ziemi. Oznacza to powtarzające się cykle nagrzewania i wychładzania konstrukcji. Takie zmiany nie są obojętne dla elektroniki. Różne materiały rozszerzają się i kurczą w różnym stopniu. Z czasem może to prowadzić do naprężeń w połączeniach, lutach, złączach czy innych elementach konstrukcji.
Więcej przetwarzania danych, to więcej ciepła
Rozwój satelitów dodatkowo komplikuje problem. Coraz większa część danych może być przetwarzana bezpośrednio na orbicie. Zamiast przesyłać wszystkie informacje na Ziemię, statek może wstępnie je analizować, kompresować, wybierać najważniejsze fragmenty albo wykonywać obliczenia związane z działaniem instrumentów. Z punktu widzenia komunikacji jest to ogromna zaleta. Mniejsza ilość danych przesyłanych na Ziemię oznacza mniejsze wymagania wobec łączy. Jednocześnie jednak dodatkowe obliczenia wymagają energii, a energia zużywana przez elektronikę ostatecznie zamienia się w ciepło.
To tworzy dość nietypowe ograniczenie. Możliwości obliczeniowe satelity mogą być większe, ale tylko do momentu, w którym pozwala na to jego bilans energetyczny i termiczny. Przy większych mocach coraz ważniejsze stają się więc systemy, które potrafią dostosowywać odprowadzanie ciepła do aktualnych warunków pracy. W praktyce oznacza to, że przyszły satelita może nie tylko potrzebować szybszego procesora. Będzie potrzebował również lepszego sposobu na odprowadzenie ciepła generowanego przez ten procesor.
Sztuczna inteligencja jest pomocą
Największa zmiana może jednak dotyczyć sposobu interpretowania telemetrii. Tradycyjne systemy często opierają się na ustalonych wcześniej progach. Jeżeli temperatura przekroczy określoną wartość albo napięcie wyjdzie poza zakres, system generuje alarm. Takie rozwiązanie jest stosunkowo proste, ale ma ograniczenia. Podzespół może przecież zacząć się zużywać bez przekroczenia żadnego krytycznego progu. Problem może być widoczny dopiero w zestawieniu kilku parametrów. Właśnie tutaj pojawia się sztuczna inteligencja i analiza wielowymiarowa. Algorytm może obserwować jednocześnie temperaturę, napięcie, pobór energii, aktywność podsystemu i inne dane. Dzięki temu może wykryć zmianę zachowania, która osobno nie wygląda jeszcze na problem.
ESA prowadzi już projekty wykorzystujące AI do takiego monitorowania. System Health-AI analizuje telemetrię pokładową, wykrywa anomalie i może klasyfikować potencjalne problemy. Jego celem jest m.in. wcześniejsze wykrywanie nieprawidłowości, przewidywanie zmian oraz ograniczenie konieczności ciągłej ingerencji operatorów na Ziemi. Podobny kierunek widać w ORBIT-STAR rozwijanym przy wsparciu ESA. System analizował dane telemetryczne z modułu Columbus na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, aby wykrywać i przewidywać problemy, a następnie – w ramach określonych zasad – podejmować działania ograniczające ich skutki. Statek kosmiczny zaczyna więc nie tylko przekazywać informację o swoim stanie, ale również sam ją interpretować.
Połączenie analizy telemetrii z zarządzaniem temperaturą otwiera jeszcze ciekawszą możliwość. Jeśli system wie, że określony podzespół zaczyna się przegrzewać, nie musi ograniczać się do wysłania ostrzeżenia. Może na przykład zmienić harmonogram wykonywania zadań. Najbardziej wymagające obliczenia można przesunąć na moment, w którym warunki termiczne są korzystniejsze. Mniej istotne zadania mogą zostać odłożone, a część systemów może przejść w tryb o niższym poborze energii. W ten sposób oprogramowanie zaczyna współpracować z klasycznym systemem kontroli temperatury. Zamiast jedynie chłodzić coraz mocniejszą elektronikę, można również ograniczyć ilość ciepła, którą ta elektronika w danym momencie produkuje. To szczególnie interesujący kierunek w przypadku satelitów, które mają wykonywać coraz więcej obliczeń na orbicie. W przyszłości oprogramowanie może więc uwzględniać nie tylko priorytet zadania czy dostępność energii, ale również aktualny budżet termiczny statku.
W efekcie telemetria, czujniki, sztuczna inteligencja i systemy termiczne zaczynają tworzyć jeden układ. Czujniki dostarczają danych, telemetria je przekazuje, algorytmy szukają nieprawidłowości, a system sterowania może odpowiednio zmienić działanie statku. Można więc mówić o powstawaniu swego rodzaju zamkniętej pętli zarządzania zdrowiem statku kosmicznego. Satelita mierzy swój stan, analizuje dane, rozpoznaje odchylenia i może odpowiednio dostosować działanie. Im bardziej skomplikowane stają się statki kosmiczne i im więcej jest ich na orbicie, tym większe znaczenie będzie miała właśnie taka automatyzacja. Satelita staje się w ten sposób czymś więcej niż zdalnie sterowaną maszyną. Ma coraz więcej czujników, coraz więcej mocy obliczeniowej i coraz większą zdolność do samodzielnego oceniania własnego stanu.
