Как улучшить спутниковую связь и интернет

Санкт-Петербургский университетHi-Tech

Под контролем алгоритмов

Исследователи СПбГУ разрабатывают программы для управления сотнями телекоммуникационных спутников и обеспечения их бесперебойной работы. Это поможет сделать спутниковую связь и интернет качественнее и быстрее.

Автор: Екатерина Заикина

Freepik

Компьютерные алгоритмы, машинное обучение и нейросети сегодня используются повсеместно, и космическая сфера не стала исключением. В ней эти технологии нашли применение в задачах, которые человеку решить не под силу. Например, в управлении большим количеством спутников.

«Сложность в том, что в космосе большую часть времени мы не видим эти аппараты, а их сигнал приходит на Землю с задержкой. Поэтому мы не можем быстро реагировать на поломку или ошибочное изменение траектории под действием физических сил», — рассказывает Олег Николаевич Граничин, профессор СПбГУ (кафедра системного программирования). Вместе с коллегами ученый разрабатывает алгоритмы, которые помогут решить эту проблему.

Данные из космоса

Телекоммуникационные системы применяются для передачи большого количества информации и необходимы для связи и наблюдения. Их работа основана на циркулировании различных электромагнитных сигналов: тока по металлическим кабелям, оптического излучения в атмосфере или по оптоволокну и радиосигналов по радиоволнам.

«Сегодня в России передача информации осуществляется преимущественно через кабели, — подчеркивает Олег Граничин. — В некоторых странах используют специальные космические спутники. Это гораздо эффективнее, но только в том случае, когда их сотни». Все потому, что если сигналов очень много, то передать и х быстро через малое количество аппаратов трудно. Спутники — как турникеты в метро: не могут пропускать много сигналов за раз. Поэтому с увеличением их числа растет и количество информации, которое они способны обработать. «Точно так же, например, скорость интернета будет низкая, если в помещении большое количество людей и только одна точка доступа к Wi-Fi», — приводит пример ученый.

Обычно телекоммуникационные спутники размещаются на околоземных орбитах Земли на трех у ровнях. На низком, от 160 до 2000 к м над уровнем моря, д ля обеспечения хорошей связи нужно как минимум 50 штук. На среднем, от 2000 до 36 000 к м, требуется около 10 единиц. Здесь расположены навигационные системы, такие как GPS и ГЛОНАСС. Также спутники располагаются на геостационарной орбите планеты (высота 35 786 к м). На ней аппаратов нужно меньше десятка, они вращаются вокруг Земли с периодом, равным периоду вращения планеты.

На таких больших расстояниях контролировать работу систем, как было сказано выше, непросто. Особенно сложно координировать движение созвездий спутников. «Широко известно, что космические аппараты очень дорогие, их сложно конструировать и выводить на орбиту. Экономически выгоднее создавать и запускать в космос много маленьких спутников, — отмечает Олег Граничин. — При этом управлять полетом одного аппарата более-менее легко, но вот в случае с десятками и сотнями появляются проблемы. В рамках исследования мы пытаемся найти им решение».

Одной из проблем является расчет плеча между спутниками — расстояния, на которое аппараты будут удалены друг от друга. По словам ученого, это позволяет группе, например, с большей точностью определять расстояния между объектами на Земле. Помимо этого, нужна слаженная работа всего отряда спутников. «Сотни аппаратов должны работать как оркестр. Если в филармонии 20 музыкантов играют вразнобой, каждый сам по себе, это звучит плохо. Но если их игрой руководит дирижер, получается красивая мелодия, — подчеркивает Олег Граничин. — То же самое и с группой спутников: результат зависит от их работы в команде. Для синхронизации между собой им нужен свой дирижер. В качестве него сегодня рассматривается искусственный интеллект. Мы в рамках своей работы в том числе создаем алгоритмы, которые помогут организовать взаимодействие сотни аппаратов в космосе».

Межспутниковая связь

Как рассказал ученый, помимо функции дирижера, у искусственного интеллекта будет еще одна: быстро принимать решения в ситуациях неопределенности. К примеру, когда предварительно рассчитанный курс движения внезапно меняется из-за изменений гравитационного или геомагнитного поля. Если их параметры постоянные, спутник летает вокруг Земли по одной траектории. Если же аппарат налетает на «кочку» или попадает в «яму» в одном из полей, он начинает колебаться, возникают помехи.

Олег Николаевич Граничин, профессор СПбГУ (кафедра системного программирования). Максим Халанский

«Наша планета имеет сложную форму, она не идеальный шар. В ее недрах неравномерно распределены химические элементы. Поэтому нельзя сказать, что физические константы имеют одинаковое значение на всей поверхности Земли. Этого нельзя сказать и про космическое пространство, — рассказывает Олег Граничин. — До недавнего времени мы не могли у честь изменения геомагнитного и гравитационного поля в космосе. Все расчеты траекторий, которые делали специалисты, являлись приблизительными. При сегодняшнем у ровне развития технологий у нас стало больше возможностей».

AI — Artificial Intelligence, дословно переводится как «искусственное рассуждение / принятие решений».

По словам ученого, сейчас уже реально создать компьютерные программы, которые бы учитывали физические показатели в конкретном месте на орбите движения. «В рамках работы мы планируем модернизировать традиционные алгоритмы так, чтобы они адаптировались к неопределенностям и могли быстро ориентироваться, какой наклон или поворот нужно совершить в той или иной ситуации. Кроме того, мы также изучаем, как помочь группе спутников самоорганизовываться и передавать информацию друг другу о необходимом действии», — уточняет Олег Граничин. Все это поможет избежать помех или снизить их уровень и получать более точные данные.

Эволюция технологий

Как рассказал ученый, вместе с другими университетскими исследователями он работает над созданием групповых алгоритмов для управления роботами уже более 15 лет. Эта тема также актуальна и для сотрудников Центра искусственного интеллекта и науки о данных СПбГУ. Все полученные специалистами Университета результаты легли в основу междисциплинарного проекта, посвященного управлению созвездиями телекоммуникационных спутников.

Сейчас ученые СПбГУ находятся на теоретическом этапе работы. Они изучают уже известные программы, проводят моделирование и в зависимости от его результатов прописывают, какие нужно внести коррективы.

В результате исследования специалисты планируют предоставить рекомендации, как можно преобразовать существующие программы, чтобы стало возможным у читывать изменения параметров гравитационного и геомагнитного полей, а также компьютерные модели, которые помогут координировать работу нескольких сотен спутников.

По прогнозам исследователей СПбГУ, и х будущие рекомендации можно будет применить на практике в самое ближайшее время. На первых порах работу новых алгоритмов придется контролировать человеку. Но высокая скорость развития интеллектуальных технологий позволяет предположить, что вскоре координация созвездий телекоммуникационных спутников полностью перейдет к алгоритмам.

Так, по рассказу Олега Граничина, ученые прогнозируют, что у же не в отдаленной перспективе искусственный интеллект научится определять сбои в системе и самостоятельно предлагать план по их устранению. Эта способность, кстати, также будет очень полезна для A I-дирижеров спутниковых «оркестров».

Важно

Работа ученых СПбГУ поддержана российским научным фондом, грант № 24-41-02031 «Методы искусственного интеллекта и магнитоэлектрические эффекты в задачах динамики и управления движением телекоммуникационных космических аппаратов». В рамках проекта исследователи сотрудничают с научной группой индийского технологического института в Канпуре.

Кстати

Центр искусственного интеллекта и науки о данных был создан в СПбГУ в мае 2020 года для подготовки специалистов и проведения исследований в соответствии с национальной стратегией развития искусственного интеллекта до 2030 года. Планы сотрудников центра включают создание модульной платформы искусственного интеллекта (ИИ), научные исследования в области ИИ, разработку прикладных решений для промышленности, обучение специалистов и формирование специализированных дата-сетов. Специалисты центра работают над расширением взаимодействия СПбГУ в области искусственного интеллекта и науки о данных с российскими и зарубежными академическими и индустриальными партнерами.

Научный коллектив

Алексей Александрович Тихонов, профессор СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики);

Олег Николаевич Граничин, профессор СПбГУ (кафедра системного программирования);

Вадим Юрьевич Сахаров, старший преподаватель СПбГУ (кафедра общей математики и информатики);

Наталья Олеговна Амелина, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики);

Юрий Владимирович Иванский, доцент СПбГУ (кафедра экономической кибернетики);

Маргарита Владимировна Максименко, старший научный сотрудник СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики);

Ксения Денисовна Копылова, научный сотрудник СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики);

Максим Александрович Клюшин, лаборант-исследователь СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики);

Алексей Сергеевич Лозовой, лаборант-исследователь СПбГУ (кафедра теоретической и прикладной механики).

Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Роу-муви Роу-муви

Неудивительно, что именно сказки стали одним из первых киножанров

Правила жизни
Служебный роман Служебный роман

В каких ситуациях служебный роман может быть плохой идеей

Лиза
Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени Валерий Фокин: Театр вписан в контекст времени

Режиссер Валерий Фокин — о библейских текстах и вкусах современного зрителя

Ведомости
Архипанки Архипанки

Представители архитектурной молодежной сцены, устраивающие реновацию смыслов

Собака.ru
Свобода от волос Свобода от волос

Волосы, как золото, красота и талант, могут радовать, а могут опутать

Afternoon Seasons of life
Бэтмен, машинист и американский психопат: 10 фильмов с Кристианом Бэйлом Бэтмен, машинист и американский психопат: 10 фильмов с Кристианом Бэйлом

Вспоминаем десять лучших фильмов с участием Кристиана Бэйла

Правила жизни
От «Кода да Винчи» до «Гарри Поттера»: самые громкие скандалы о плагиате в истории От «Кода да Винчи» до «Гарри Поттера»: самые громкие скандалы о плагиате в истории

Громкие книжные скандалы, связанные с обвинениями в плагиате

Forbes
В здоровых ли вы отношениях? Проверьте по 13 пунктам опросника В здоровых ли вы отношениях? Проверьте по 13 пунктам опросника

Как выглядит союз, к которому стоит стремиться?

Psychologies
Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса Поле битвы — спорт: почему в США сорвался запуск уникального стримингового сервиса

Нюансы скандального дела Venu Sports и монополии медиаимперий

Forbes
О чем рассказали древние речные русла? О чем рассказали древние речные русла?

Как выглядела наша планета 14–18 тыс. лет назад

Наука и техника
6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола 6 способов понять, что у вас высокий уровень кортизола

Неужели высокий уровень гормона стресса — распространенная проблема?

ТехИнсайдер
О чем говорят великие пожары прошлого: причины, последствия и уроки О чем говорят великие пожары прошлого: причины, последствия и уроки

Крупные пожары, изменившие города и судьбы — от Сан-Франциско до Москвы

СНОБ
Упереться в «бумажный потолок»: как отсутствие диплома мешает людям строить карьеру Упереться в «бумажный потолок»: как отсутствие диплома мешает людям строить карьеру

Как «бумажный потолок» ограничивает таланты и амбиции людей

Forbes
Что такие кислые Что такие кислые

В авангарде бьюти-индустрии сегодня кислоты

Лиза
Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет Пятнистую гиену встретили в Египте впервые за 5000 лет

В Гебель-Эльба, Египет, впервые за 5000 лет встретили пятнистую гиену

N+1
Тактильное искусство Тактильное искусство

Где искать интересную мебель и каким материалам отдать предпочтение в интерьере?

СНОБ
На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле На вес золота: 10 неожиданных фактов об этом ценном металле

Что вы знаете о золоте?

ТехИнсайдер
Как социальные контакты могут сохранить здоровье вас и вашего мозга Как социальные контакты могут сохранить здоровье вас и вашего мозга

Почему быть социально активным — важный фактор здоровой жизни

ТехИнсайдер
Зеленые, черные, бесцветные: от чего зависит цвет винных бутылок? Зеленые, черные, бесцветные: от чего зависит цвет винных бутылок?

Почему вино хранится в бутылках разного цвета?

ТехИнсайдер
Морские звезды Морские звезды

Польза морских ингредиентов для красоты

Лиза
Розовый ягуар, бэтмобиль и еще 8 самых красивых машин 2024 года: настроение точно поднимется Розовый ягуар, бэтмобиль и еще 8 самых красивых машин 2024 года: настроение точно поднимется

Топ-10 самых интересных проектов в автомобильном дизайне за 2024 год

ТехИнсайдер
Big Wine Freaks Big Wine Freaks

Как основатели Big Wine Freaks создали эносистему с крафтовым бизнес-подходом

Собака.ru
Кушать подано! Кушать подано!

Чем кормить птиц и белок зимой

Лиза
Колбаса и хлеб на ветках: топ необычных деревьев с самыми странными плодами Колбаса и хлеб на ветках: топ необычных деревьев с самыми странными плодами

Могут ли на деревьях расти огурцы?

ТехИнсайдер
Микропластик проникает в мозг «автостопом» в иммунных клетках Микропластик проникает в мозг «автостопом» в иммунных клетках

Из-за чего микропластик застревает в кровеносных сосудах головного мозга

ТехИнсайдер
Онлайн – место рыбное Онлайн – место рыбное

Почему кибермошенники чаще взламывают системы Android, чем iOS?

Ведомости
Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение Слышали, что вампиры появились в Румынии? Вот как могло возникнуть это предубеждение

Мифы о вампирах могут иметь реальную медицинскую основу

ТехИнсайдер
Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы Сколько в среднем живут собаки и зависит ли это от породы

Какова же средняя продолжительность жизни собак разных пород?

ТехИнсайдер
5 самых страшных форм манипуляции 5 самых страшных форм манипуляции

От газлайтинга до триангуляции: как вами может манипулировать партнер?

Psychologies
Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга Повсеместное использование камер наблюдения меняет работу мозга

Видеонаблюдение влияет на работу мозга, причем на бессознательном уровне

ТехИнсайдер
Открыть в приложении