Глибоке навчання для навігації, наведення та керування космічними апаратами
DOI:
https://doi.org/10.15407/knit2021.06.038Ключові слова:
глибоке навчання, зависання, керування, космічний апарат, навігація, наведення, навчання з підкріпленням, посадка, штучна нейронна мережаАнотація
Успіхи глибокого навчання призвели до революції в області штучного інтелекту, демонструючи можливості створення автономних систем з високим рівнем розуміння середовища функціонування. Ці успіхи, а також нові завдання та вимоги в галузі освоєння космосу зумовили підвищений інтерес протягом останніх років до методів глибокого навчання серед працюючих в космічній сфері вчених і практиків. Метою цієї оглядової статті є аналіз останніх досягнень в галузі використання глибокого навчання для вирішення завдань навігації, наведення та керування в космосі. Розглянуто завдання керування кутовим і відносним рухом космічних апаратів при вирішенні як традиційних, так і нових завдань, таких як сервісні операції в космосі. Проаналізовано роботи, присвячені застосуванню цих методів для виконання операцій посадки і зависання при реалізації місій на Місяць, Марс і астероїди. Для вирішення таких завдань використовуються як методи навчання з учителем, так і навчання з підкріпленням. Розглянуто використання різних архітектур штучних нейронних мереж, в тому числі згорткові та рекурентні. Аналізується можливість спільного використання глибокого навчання і методів теорії керування для підвищення ефективності вирішення розглянутих завдань. Виділено складності, що обмежують застосування розглянутих методів для космічних застосувань. Позначені необхідні напрямки досліджень для вирішення цих проблем.Посилання
Baranets N., Ruzhin Yu., Erokhin N., Afonin V., Vojta J., Smilauer J., Kudela K., Matisin J., Ciobanu M. (2014). Resonance effects of wave-particle interactions during artificial charged particle beam injections in an ionospheric plasma. Space Sci. and Technol., 20 (5), 3-26.
Kaptsov N. A. (1960). Radiophysical electronics. Moscow: Moscow State University Publishing House.
Kitsenko O. B., Stepanov K. M. (1961). About the passage of a beam of charged particles through a magnetoactive plasma. Ukr. J. Phys., 6 (3), 297-307.
Kovalenko V. P. (1983). Electron bunches in nonlinear collective interaction of beams with plasma. Soviet Physics Uspekhi, 139 (2), 223-263.
https://doi.org/10.3367/UFNr.0139.198302b.0223
Mikhailovskij A. B. (1975). Theory of plasma instabilities. Moscow: Atomizdat. Vol. 1.
Nezlin M. V. (1976). Waves with negative energy and the anomalous Doppler effect. Soviet Physics Uspekhi, 120 (3), 481-495.
https://doi.org/10.3367/UFNr.0120.197611g.0481
Albert J. M. (2000). Gyroresonant interactions of radiation belt particles with a monochromatic electromagnetic wave. J. Geophys. Res., 105 (A9), 21191-21209.
https://doi.org/10.1029/2000JA000008
An X., Bortnik J., Van Compernolle B., et al. (2017). Electrostatic and whistler instabilities excited by an electron beam.Phys. Plasmas, 24, 072116.
https://doi.org/10.1063/1.4986511
An X., Van Compernolle B., Bortnik J., et al. (2016). Resonant excitation of whistler waves by a helical electron beam. Geophys. Res. Lett., 43 (6), 2413-2421.
https://doi.org/10.1002/2015GL067126
Baranets N., Ruzhin Yu., Dokukin V., et al. (2017). Injection of 40kHz-modulated electron beam from the satellite: I. Beamplasma interaction near the linear stability boundary. Adv. Space Res., 59 (12), 2951-2968.
https://doi.org/10.1016/j.asr.2017.03.030
Baranets N., Ruzhin Yu., Dokukin V., et al. (2020). Injection of 40-kHz-modulated electron beam from the satellite: II. Excitation of electrostatic and whistler waves. Adv. Space Res., 65 (1), 30-49.
https://doi.org/10.1016/j.asr.2019.08.027
Baranets N., Ruzhin Yu., Erokhin N., et al. (2012). Acceleration of energetic particles by whistler waves in active space experiment with charged particle beams injection. Adv. Space Res., 49 (5), 859-871.
https://doi.org/10.1016/j.asr.2011.12.001
Bell T. F., Buneman O. (1964). Plasma instability in the whistler mode caused by a gyrating electron stream. Phys. Rev., 133 (A5), A1300-A1302.
https://doi.org/10.1103/PhysRev.133.A1300
Borg G. G., Harris J. H., Martin N. M., et al. (2000). Plasmas as antennas: Theory, experiment and applications. Phys. Plasmas, 7 (5), 2198-2202.
https://doi.org/10.1063/1.874041
Briggs R. J. (1964). Electron-stream interaction with plasmas. Cambridge. Massachusets: The M. I. T. Press.
https://doi.org/10.7551/mitpress/2675.001.0001
Denig W. F., Maynard N. C., Burke W. J., et al. (1991). Electric field measurements during supercharging events on the MAIMIK Rocket Experiment. J. Geophys. Res., 96 (A3), 3601-3610.
https://doi.org/10.1029/90JA02103
Fried B. D., Conte S. D. (1961). The plasma dispersion function. New York: Academic Press.
Fu X. R., Cowee M. M., Liu K., et al. (2014). Particle-in-cell simulations of velocity scattering of an anisotropic electron beam by electrostatic and electromagnetic instabilities. Phys. Plasmas, 21, 042108.
https://doi.org/10.1063/1.4870632
Kiraga A., Klos Z., Oraevsky V. N., et al. (1995). Observation of fundamental magnetoplasma emissions excited in magnetosphere by modulated electron beams. Adv. Space Res., 15 (12), 21-24.
https://doi.org/10.1016/0273-1177(95)00004-X
Lizunov G., Volokitin A., Blazhko I. (2002). Dynamics and relaxation of an artificial electron beam. Adv. Space Res., 29 (9), 1391-1396.
https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00192-8
Němeček Z., Šafránková J., Přech L., et al. (1997). Artificial electron and ion beam effects: Active Plasma Experiment. J. Geophys. Res., 102 (A2), 2201-2211.
https://doi.org/10.1029/95JA03571
Přech L., Němeček Z., Šafránková J., et al. (2002). Actively produced high-energy electron bursts within the magnetosphere: the APEX project. Ann. Geophys., 20, 1529-1538.
https://doi.org/10.5194/angeo-20-1529-2002
Přech L., Ruzhin Yu. Y., Dokukin V. S., et al. (2018). Overview of APEX project results. Front. Astron. Space Sci., 5, Id. 46. DOI:10. 3389/fspas. 2018. 00046.
https://doi.org/10.3389/fspas.2018.00046
Stenzel R. L. (1976). Antenna radiation patterns in the whistler wave regime measured in a large laboratory plasma. Radio Sci., 11 (12), 1045-1056.
https://doi.org/10.1029/RS011i012p01045
Stenzel R. L. (1999). Whistler waves in space and laboratory plasmas J. Geophys. Res., 104 (A7), 14,379-14,395.
https://doi.org/10.1029/1998JA900120
Timofeev I. V., Volchok E. P., Annenkov V. V. (2016). Theory of a beam-driven plasma antenna. Plasma Phys., 23, 083119. https: doi. org/10. 1063/1. 4961218
