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

Ирина Калабихина: «Демографический взрыв уже у нас за спиной» Ирина Калабихина: «Демографический взрыв уже у нас за спиной»

Экономист Ирина Калабихина — что с нами будет дальше и хватит ли всем места?

РБК
Разрешить себе жить Разрешить себе жить

Почему середина жизни — время, когда можно все, особенно в любви

Afternoon Seasons of life
Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов Какую разницу в возрасте с партнером предпочитают мужчины и женщины: ответ психологов

Правда ли: чем мы старше, тем больше стремимся заводить романы с молодежью?

Psychologies
5 правил воспитания, которым следует родитель-нарцисс 5 правил воспитания, которым следует родитель-нарцисс

Пять правил воспитания, которым обычно следуют родители-нарциссы

Psychologies
Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога Что делать, если вы стали жертвой гостинга: 5 подсказок от психолога

Почему люди могут внезапно пропадать из круга нашего общения?

Psychologies
«Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций «Я все для него делаю, а он!»: 10 способов самообороны от манипуляций

Хотите инструкцию, какие принять меры против манипуляций?

Psychologies
История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций История необычного гибрида спиреи: от сада XIX века до природных популяций

История гибрида, обнаруженного в природе спустя столетие после его создания

Наука и жизнь
Время для себя: 5 объемных романов Время для себя: 5 объемных романов

Хана, Руссо, Медведев: 5 масштабных романов

СНОБ
Легкое дыхание Легкое дыхание

Почему обычная простуда может перейти в бронхит или даже пневмонию

Лиза
Новая жизнь биткоина Новая жизнь биткоина

Почему государства проявляют все больше интереса к криптовалютам?

Монокль
Как победить прокрастинацию Как победить прокрастинацию

Не можете избавиться от привычки откладывать дела на потом?

ТехИнсайдер
Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко» Какой он будет, постапокалипсис? Пять художников с позитивным прогнозом на «непрекрасное далеко»

О пяти авторах, которые попытались предопределить будущее

СНОБ
Велосипеды, ткацкие станки и кофемолки: что выпускали известные автомобильные бренды до машин Велосипеды, ткацкие станки и кофемолки: что выпускали известные автомобильные бренды до машин

С каких товаров начинали свой путь автомобильные гиганты?

ТехИнсайдер
Вотум недоверия: с чем сталкиваются 20-летние, становясь руководителями Вотум недоверия: с чем сталкиваются 20-летние, становясь руководителями

Эйджизм и дискриминация: проблемы молодых управленцев

Forbes
12 привычек, которые стоит в себе воспитать, чтобы нравиться людям 12 привычек, которые стоит в себе воспитать, чтобы нравиться людям

Привычки, которые подойдут вам, если вы хотите слыть приятным человеком

Maxim
Михаил Мильчик Михаил Мильчик

Михаил Мильчик провел в Ленинграде первую, самую страшную, блокадную зиму

Собака.ru
Книжные связи Книжные связи

Чтение снова в моде, а вместе с ним и читательские клубы

Afternoon Seasons of life
Нет, это не нормально: что делать, если ты чувствуешь жжение во время сушки гель-лака Нет, это не нормально: что делать, если ты чувствуешь жжение во время сушки гель-лака

О чем надо попросить мастера-маникюра, если твои ногти «горят» в УФ-лампе

VOICE
Зоя Бербер. Я даже не скрываю, что процесс притирки идет полным ходом Зоя Бербер. Я даже не скрываю, что процесс притирки идет полным ходом

Хочется, чтобы инициатива исходила от обоих, а не только от одного

Караван историй
Sarissa морская Sarissa морская

Я не припомню, чтобы на одну лодку обрушился такой ливень из десяти наград

Y Magazine
Вероника Полонская. Последняя любовь Маяковского Вероника Полонская. Последняя любовь Маяковского

Об отношениях Вероники Полонской и поэта Владимира Маяковского

Коллекция. Караван историй
Путешествие в прошлое: какой след оставили русские в истории Японии Путешествие в прошлое: какой след оставили русские в истории Японии

Особое кладбище в Японии, где покоятся несколько десятков наших предков

Inc.
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
Ниша серийного аддитивного производства свободна Ниша серийного аддитивного производства свободна

Как неверное представление об аддитивных технологиях тормозит их внедрение

Монокль
Как снег на голову Как снег на голову

Правила зимнего ухода за волосами

Лиза
Old but gold: как и почему растет рынок технологий для пожилых людей Old but gold: как и почему растет рынок технологий для пожилых людей

Продукты и услуги для старшего поколения — глобальный тренд

Forbes
Маменькин престол Маменькин престол

Существовала ли в действительности папесса Иоанна?

Дилетант
В каком ухе шумит В каком ухе шумит

Болезнь совершенно безобидная? Врачи предупреждают: с детским отитом шутки плохи

Лиза
Эсэсовский «Ватикан» Эсэсовский «Ватикан»

Как битва в Тевтобургском лесу стала основой германского национального мифа

Дилетант
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
Открыть в приложении