Nasza strona używa cookies. Dowiedz się więcej o celu ich używania i zmianie ustawień w przeglądarce. Korzystając ze strony, wyrażasz zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki. Rozumiem

Inteligentny satelita

Wywiad z:
O polskim mikrosatelicie wyposażonym w sieci neuronowe opowiada team pracujący nad jego misją.
12 03 2018 1

Intuition-1 zostanie wystrzelony na orbitę w 2022 roku. Wyróżnia go unikalny system umożliwiający przetwarzanie danych jeszcze na pokładzie. Projekt polskiej firmy KP Labs będzie tak naprawdę częścią dużej, kosmicznej rewolucji.

Jaki jest cel misji Intuition-1? Dlaczego satelita jest unikatowy?

Krzysztof Czyż, Dyrektor techniczny, FP Instruments Sp. z o.o.: Intuition-1 ma zadanie zademonstrować dedykowany instrument służący do obrazowania Ziemi w zakresie światła widzialnego i wykonywania zdjęć hiperspektralnych - kamerę Hypercam.

Hypercam - dzięki zastosowaniu obrazowania hiperspektralnego, czyli obrazowania rejestrującego natężenie światła w ponad 100 zakresach długości fali świetlnej - dostarczy o wiele więcej informacji, niż klasyczne obrazowanie z użyciem instrumentów monochromatycznych, kolorowych czy nawet multispektralnych. Liczymy, że dzięki dodatkowym informacjom zawartym w obrazie hiperspektralnym będzie możliwym zidentyfikowanie ze znacznie większą dozą pewności materiałów, z których zbudowany  jest obszar Ziemi, reprezentowany przez pojedynczy piksel w zarejestrowanym obrazie.

Unikatowe jest to, że zdjęcia będa przetwarzane już na orbicie z wykorzystaniem wysoce wydajnej jednostki obliczeniowej, a pracujące nad tym algorytmy do klasyfikacji zdjęć będą oparte na głębokich sieciach neuronowych. Na Ziemię zostaną przesłane już tylko wyniki klasyfikacji - informacje dające nam obraz tego, jak na planecie przedstawiają się poszukiwane przez nas wzorce.

Na dzień dzisiejszy nie ma satelitów o tak dużej mocy obliczeniowej, a tak wydajnych jednostek nie wysyła się w kosmos. Wynika to z funkcjonującego założenia, by dane pozyskiwać na orbicie, przesyłać je na Ziemię i dopiero wtedy przetwarzać. Chcemy pokazać, że tego ostatniego da się dokonać jeszcze na orbicie - zrewolucjonizować ten proces. Uważamy również, że możliwym jest znaczące zmniejszenie ilości danych przesyłanych na Ziemię - a co za tym idzie - zmniejszenie kosztu eksplotacji satelity, który jest bardzo wysoki, gdy przesyłanych jest sporo danych.

Kolejne novum to czas reakcji. W obecnych czasach najświeższe zdjęcia docierają na Ziemię po paru dniach, a nawet tygodniach. W wielu przypadkach jest już dawno po fakcie - szczególnie, gdy mamy do czynienia ze zjawiskami nagłymi (pożar, powódź). Wyjątkiem mogą być satelity wojskowe. Chcielibyśmy otrzymywać informacje niemal na bieżąco, za pomocą radia UHF i wysyłanych przez nie powiadomień. Dzięki UHF można stosunkowo niewielkim kosztem prowadzić komunikację z satelitą w wielu regionach świata. Będziemy mogli bardzo szybko informować np. o wykryciu jakichś nieprawidłowości. Same precyzyjne dane będą ,,zrzucane’’ do konkretnej stacji bazowej, gdy satelita będzie nad nią przelatywał.


Satelitarny hardware

Z jakich komponentów składa się satelita?

Maciej Urbanowicz, Inżynier systemowy, KP Labs: Z konstrukcji mechanicznej zbudowanej z bazowych, powtarzalnych we wszystkich satelitach podsystemów i ramy montażowej, do której przymocowane są wszystkie elementy. Specjalistyczny układ zasilania przetwarza światło słoneczne zgromadzone przez ogniwa fotowoltaiczne na energię elektryczną zasilającą poszczególne komponenty. Moduł komunikacji radiowej służy przede wszystkim do komunikacji z satelitą i kontroli jego misji w kosmosie. Oczywiście potrzebujemy też do tego komputera pokładowego, który zarządza całym satelitą - monitoruje jego funkcjonowanie, parametry pracy.

Istnieje jeszcze moduł kontroli orientacji, który umożliwia obrót satelity względem danego układu współrzędnych. Dzięki temu wykonujemy zdjęcia Ziemi i możemy realizować sesje łączności ze stacją naziemną. Satelita okrąża Ziemię średnio w 90 minut. Nad samą stacją przelatuje przez 15 minut, z czego około 10 minut to tzw. okno łączności.


Czyli te elementy można kupić, a Waszą rolą jest ,,poskładanie ich’’ i praca nad elementem eksperymentalnym, dotyczącym analizy obrazu na pokładzie satelity?


KC:
W dużym uproszczeniu - tak. Intuition-1 będzie tak naprawdę początkiem czegoś większego i zależy nam na jego możliwie długiej żywotności. I tu pojawia się problem, bo gotowe ,,klocki” do długowiecznych nie należą. Dużo wysiłku kosztuje wyszukanie komponentów, które będą mogły funkcjonować przez pięć lat i dłużej. Niektóre z nich będzie trzeba dostosować, a inne - zbudować od podstaw.


Czego brakuje?


KC:
Przede wszystkim instrumentu do obrazowania Ziemi - a de facto dwóch. Jeden będzie obrazował Ziemię w zakresie światła widzialnego monochromatycznego z dokładnością ok. 10 metrów na piksel. Drugi, bardziej zaawansowany, to instrument o którym na początku wspomniałem - obrazujący Ziemię w szerokim zakresie widma, hiperspektralnie.

Konstruujemy też jednostkę obliczeniową - wysoce wydajną i odporną na działanie radiacji, niezawodną w warunkach na orbicie. Poza tym cały jej układ zarządzania, dodatkowe funkcje diagnostyczne i to, co najważniejsze - czyli algorytmy klasyfikacji.


Jak można określić moc obliczeniową jednostki, która będzie funkcjonowała na satelicie?


KC:
Ze względu na niezbyt przyjazne warunki na orbicie, jednostek obliczeniowych będzie kilka. Pojedynczy węzeł obliczeniowy będzie miał wydajność na poziomie ok. 400 GOPS (400 miliardów operacji na sekundę).


Jak można to porównać do mocy obliczeniowej jakiegoś ziemskiego urządzenia?


KC:
Wyobraźmy sobie, że do obliczeń korzystamy z topowej - na dzień dzisiejszy - karty graficznej. Chcemy wysłać na orbitę jedną dziesiątą mocy obliczeniowej takiego procesora graficznego.


Biorąc pod uwagę radiację i inne problematyczne czynniki, które ograniczają moc obliczeniową - to i tak sporo.


KC:
Tak, przede wszystkim ze względu na radiację, ale też problemy z pozyskaniem dostatecznej ilości energii na tak małym satelicie, czy odpowiednim zarządzaniem ciepłem, generowanym wewnątrz.  

... i software

Jakie języki programowania wchodzą w grę w kosmosie? C wydaje się oczywistością.


Grzegorz Łada, Kierownik projektu, KP Labs: 
Co do oprogramowania na satelicie - C++. Warto jednak zaznaczyć, że wokół tego funkcjonuje mnóstwo dodatkowych narzędzi, które sami musimy stworzyć. Przykładowo, do testów integracyjnych satelity na Ziemi wiele narzędzi wykonamy w Pythonie. Oprócz oprogramowania związanego ściśle z samym satelitą mamy jeszcze systemy naziemne - tworzone przy pomocy wysokopoziomowych języków i frameworków - Node.js, React, C#, itd.

MU: Warto wspomnieć o platformie satelitarnej - nie zdecydowaliśmy się jeszcze na konkretną, dlatego jest to wciąż zagadką. Możemy w tym wypadku mówić zarówno o nisko-, jak i wysokopoziomowych językach, w zależności od warstwy.

KC: Uczenie maszynowe to wiele możliwości. Na pewno chcielibyśmy, aby sam algorytm po wyuczeniu jako sieć pracował w C. Jeśli chodzi o samo uczenie, pewnie sięgniemy po coś bardziej wysokopoziomowego.

Jakub Nalepa, Starszy pracownik naukowy (Machine Learning, Deep Learning), KP Labs: Trening sieci neuronowej będzie odbywał się na Ziemi - w tym wypadku nie jesteśmy ograniczeni żadną technologią i możemy korzystać np. z Pythona.

Wyzwania z siecią neuronową

Tutaj modele uczycie, a na orbitę wysyłacie sieć, gotową już do przetwarzania danych.


KC:
To trudna operacja, bo sieci ważą sporo - setki MB. Przesłanie całej sieci to kwestia niemal całej sesji komunikacyjnej. Myślimy o kilku strategiach aktualizacji sieci, np. przesyłaniu elementów, które pozwolą jej douczyć się na orbicie - bo z pewnością sieć będzie trzeba douczać. Wymagania będą różne, w zależności od użytkownika końcowego i aplikacji danych, która będzie dyktowała dynamiczne zmiany.

JN: Stworzenie optymalnej topologii będzie na pewno wyzwaniem. Idealnie byłoby, gdyby topologia sieci była jak najmniejsza - na ,,jedno przesłanie”. I żeby możliwe było uaktualnienie części sieci już na orbicie.

GŁ: Wytrenowanie sieci na Ziemi do łatwych nie należy, bo dane hiperspektralne trudno zdobyć. Rozważamy wykonanie zdjęć z drona naszą kamerą hiperspektralną i wytrenowanie sieci na tych danych. Nie mamy jednak gwarancji, że na orbicie będzie zachowywać się dokładnie tak samo, dlatego musimy być wyposażeni w mechanizmy do ewentualnej podmiany.


Danych z kamery będzie dużo, widmo będzie podzielone nawet do kilkuset różnych kanałów. Będziecie priorytetyzować i wybierać dane do przetworzenia?


JN:
Będziemy działać na pełnych danych hiperspektralnych (z dużą liczbą pasm). Może być to np. sieć konwolucyjna, w której analizowane są zależności pomiędzy pasmami w pełnym spektrum (tj. w pełnej kostce danych). Będziemy też pracować nad redukcją wymiarowości takich danych (np. nad usunięciem ,,zaszumionych” pasm).


Z jakimi jeszcze wyzwaniami wiąże się machine learning?


JN:
 Dane hiperspektralne po akwizycji kamerą nie jest łatwo zrozumieć - ze względu na ich rozmiary. Skomplikowana jest ich wizualizacja, dostrzeżenie zależności pomiędzy nimi.

KC: Trzeba zdawać sobie sprawę z ogromu danych. Hiperspektralne zdjęcie fragmentu Ziemi o wymiarach 40kmx40km i rozdzielczości 25 metrów na piksel będzie ważyło ponad 1GB.

JN: Jak już wspomnieliśmy, chcemy mieć jak najmniejszą sieć, żeby móc skrócić czas klasyfikacji i jak najszybciej przesłać dane na Ziemię. Topologia musi być jak najmniejsza, przy czym działająca dla danych hiperspektralnych - wypośrodkowanie tego jest niełatwe. Będziemy pracować nad inkrementacyjnym budowaniem sieci. Zaczynamy od minimalnej architektury i jeśli okaże się, że nie jest wystarczająca - zwiększamy ją (uaktualniamy) podczas treningu na Ziemi.


...i komunikacją

W czasie jednej sesji komunikacyjnej na Ziemię można przesłać ograniczoną ilość danych. Jaką?


KC:
Zakładamy, że komunikacja będzie prowadzona za pomocą radia X-bandowego. W jego przypadku prędkość transmisji plasuje się maksymalnie na poziomie 100-200 Mbit/s, co przekłada się na efektywny transfer na poziomie ok. 10MB/s - w dobrych warunkach. Czas w którym możliwa jest komunikacja to ok. 8 minut. Z tego wynika, że w ciągu jednej sesji komunikacyjnej da się ,,zrzucić’’ zaledwie parę GB danych.

Sesja komunikacyjna występuje w momencie, kiedy satelita przelatuje nad stacją bazową. Satelita nie może wtedy wykonywać zadań związanych z obrazowaniem - musi być precyzyjnie kierowany, by anteny miały największy zysk. To zmniejsza spektrum jego wykorzystania i jest piętą achillesową tej metody komunikacji. Ograniczenie byłoby spore przy ulokowaniu stacji bazowej w Europie - bo naszym języczkiem u wagi jest to, co dzieje się na starym kontynencie. Dobrze byłoby, gdyby była ulokowana w miejscu, gdzie nie prowadzimy obrazowania - np. w rejonach Ameryki Środkowej.

MU: Pamiętajmy też, że czas rewizyty satelity nad danym obszarem zależy od orbity - może być co trzy-siedem dni, dlatego sesja łączności będzie rzadko dostępna. ,,Zrzucenie’’ tych MB danych będzie skomplikowane, bo całej sesji łączności nie będziemy mogli dedykować tylko i wyłącznie temu procesowi. Musimy też się z satelitą skomunikować i nadzorować jego pracę. To złożony proces, który będziemy opracowywać.

3,2,1

Jakie są kolejne kroki do tego, żeby satelita poleciał w kosmos?


GŁ:
Start zaplanowaliśmy na koniec 2022/początek 2023 roku. Do sierpnia bieżącego roku chcielibyśmy wybrać platformę, a przynajmniej mieć już mocno zawężony wybór platform. Pierwszy składany model chcemy zrobić w okolicach 2020 roku i w tym samym roku chcemy zacząć integrację satelity. Do tego czasu czekają nas głównie prace badawczo-rozwojowe. W 2021 roku będziemy mieć już model kwalifikacyjny - czyli propozycję tego, co de facto poleci na satelicie. W międzyczasie będziemy rozbudowywać naszą stację naziemną, z której będziemy się komunikować z satelitą.

KC: Czasu na działania badawczo-rozwojowe jest niewiele, bo trochę ponad 2 lata. Potem, od 2020 roku lwią część czasu przeznaczymy na testowanie tego, co zostało wcześniej opracowane, aby mieć pewność, że satelita będzie niezawodny. Od testów w postaci komponentów poskładanych na biurku, po te w środowisku symulującym warunki kosmiczne - ogrom testów. Podkreślałem chłopakom, że na każdą godzinę spędzoną nad kodowaniem powinny przypadać trzy godziny związane z testowaniem. Część zespołu, który bierze udział w tworzeniu oprogramowaniu brało udział w pracach nad oprogramowaniem dla PW-Sat2 i jego komputera pokładowego (OBC). Dlatego mamy sporo doświadczeń i wypracowane know-how, też związane z testowaniem, które chcemy przenieść do projektu.


Jaki sztab ludzi nad tym pracuje?


GŁ:
Zespół liczy obecnie trzynastu specjalistów, w tym: specjalistę od uczenia maszynowego, inżyniera systemowego i czterech specjalistów od elektroniki, którzy pracują nad sprzętem. Specjalista do spraw analizy i planowania misji odpowiada np. za analizę warunków panujących w kosmosie i orbity, na której powinien się znaleźć nasz satelita. Specjalista do spraw konstrukcji mechanicznej będzie odpowiedzialny za montaż i rozłożenie elementów w satelicie. Termik zajmie się problemem promieniowania ilości ciepła wytwarzanego przez elektronikę. Ponadto mamy w zespole architekta oprogramowania i wspierających go inżynierów oprogramowania. Ostatni specjalista to osoba od optyki - pomaga nam zaprojektować układ optyczny do robienia zdjęć z orbity.

Przyszłość: konstelacje

A poza Intuition-1, jakie są Wasze następne kierunki badawcze?


KC:
 Naszym celem w ramach FP Space, czyli polskiego konsorcjum trzech organizacji – Future Processing, FP Instruments i KP Labs - jest wspieranie sektora kosmicznego poprzez świadczenie usług w zakresie tworzenia wysokiej jakości oprogramowania i sprzętu.

W perspektywie kilku lat chcielibyśmy przede rozwijać temat, który początkuje Intuition-1. Myślimy nad wykorzystaniem właśnie takich małych satelitów do budowy konstelacji, która rozwiązuje ograniczenia wiążące się z pojedynczym satelitą, jak np. czas rewizyty. Konstelacja oznacza lepsze pokrycie przestrzenne przy ograniczonych kosztach, częstsze odwiedziny satelit w danym regionie, a zatem krótszy czas reakcji na zdarzenia.

Tylko świeże dane mogą znaleźć zastosowanie biznesowe. Dobrym przykładem jest rolnictwo precyzyjne - gałąź rozwijająca się bardzo intensywnie w Stanach. W Europie rewolucja w rolnictwie tak naprawdę dopiero się zaczyna i chyba niewielu polskich rolników zgłębiało ten temat. W tym przypadku konieczna jest możliwość zobrazowania pola co najmniej kilka razy dziennie, by wiedzieć, czy wymaga nawadniania, nawożenia, albo czy rośliny rozwijają się prawidłowo. Można też przywołać kwestie związane z ochroną środowiska: monitoring skażeń wód, gleby, śledzenie ławic ryb w zbiornikach wodnych i na morzu. W wielu branżach rewizyty musiałyby być robione często.

Konstelacja kilkunastu, albo nawet kilkudziesięciu satelit będzie w mniejszym stopniu zależna od warunków pogodowych. W tej chwili pojawia się problem, gdy planowany jest przelot satelity, a interesujące nas miejsce, w którym chcemy wykonać obrazowanie jest zasłonięte przez chmury. Wtedy dopiero następny przelatujący satelita może mieć więcej szczęścia. To pokazuje, że duży satelita może mieć doskonały instrument obrazujący, a po prostu nie być w stanie zobrazować interesującego nas miejsca. Niestety Europa - ze stosunkowo niewielką liczbą dni z ograniczonym zachmurzeniem lub jego zupełnym brakiem w ciągu roku - to trudny obszar pod tym względem.

Mając konstelację możemy też szybciej kontaktować się z Ziemią, mając chociażby jedną stację badawczą. Wystarczy przesłać dane z jednego satelity do drugiego w konstelacji, który akurat - znajdując się nad stacją naziemną - będzie w stanie przesłać do niej informacje.

Chcemy wziąć udział w bardzo ważnej rewolucji, która ma właśnie miejsce. Duże, ważące parę ton satelity powoli odchodzą do lamusa. Nie wszystkie, bo duży teleskop jest oczywiście potrzebny, by dostarczyć bardzo wyśrubowane parametry związane z obrazowaniem. Jednak okazuje się, że mikrosatelity mogą radzić sobie równie dobrze jeśli mówimy o typowych, użytkowych zastosowaniach.

Kogo szukacie do teamu?


KC:
Nasz zespół ciągle się rozrasta. Szukamy doświadczonych programistów .NET i specjalistów ds. Jakości Oprogramowania (tego na satelicie, ale nie tylko). Nie zamykamy się na inne technologie. Szukamy osób dobrych technicznie, ale przede wszystkim zależy nam na pasjonatach - pasja do kosmosu bardzo pomaga przy tak innowacyjnych projektach i ,,otwiera oczy’’ na wiele spraw. To właśnie takich ludzi potrzebujemy, by tworzyć rozwiązania dla branży kosmicznej i realizować nasze plany, a mamy ich wiele.