계층 확장형 정찰

Tier-scalable reconnaissance
'계층 확장형 정찰:화성에서의 3단 활용.Tier 1: 우주선 궤도선; Tier 2: 공중 비행선;Tier 3: 지상 기반 로봇.

계층 확장형 정찰은 지구의 행성이나 다양한 지역의 탐사와 같이 여러 관심 분야에서 차량을 배치하고 제어하는 접근 방식을 의미합니다.그것은 경직되거나 고정된 패러다임이 아니라 무한히 확장 가능합니다.계층이라고 불리는 계층적 수준의 감독을 사용하며, 각 계층은 그 아래 계층 내에서 차량을 지휘하거나 제어합니다.각 계층의 크기는 한 대에서 여러 대의 차량으로 확장할 수 있습니다.

기원

계층 확장형 정찰 패러다임은 캘리포니아 공과대학의 Wolfgang Fink 박사 [1]등에 의해 시작되었습니다.

역사

로봇 행성 탐사 임무는 일반적으로 단일 착륙선 또는 로버를 사용합니다.이는 주로 안전 및 공학적 제약에 의해 주도되며, 임무 신뢰성과 과학적 환원을 희생합니다.로버는 일반적으로 이동이 가능한 플랫폼이지만 행성 표면에서 멀리 떨어진 여러 장소를 탐색할 수 없습니다.그들은 보통 잠재적으로 위험하고 과학적으로 흥미로운 지역을 탐색하는 데 사용되지 않습니다.다른 극단에서 궤도를 도는 위성은 글로벌 관점의 이점이 있지만 표면 세부 정보를 많이 놓치고 있습니다.두 경우 모두 로버 또는 궤도선을 사용하여 지표면에서 변화하는 이벤트를 모니터링하는 것은 불가능하지는 않지만 어려운 일입니다.

반면 계층 확장형 정찰은 데이터 수집 부담을 서로 다른 논리 계층에 분산시킵니다.이러한 방식으로, 임무는 더 분산되고, 목표 지향적이며, 제약을 덜 받습니다.또한 각 계층의 차량 수가 많기 때문에 미션은 더 생존 가능하고 더 효율적입니다.다음 시나리오를 고려합니다.우주 수송 및 공중 수송 계층의 차량은 다양한 규모와 해상도의 오버헤드 뷰를 가지고 있습니다.그들은 관심 영역을 매핑하고 지형 데이터를 얻은 다음 지상 차량이 방문하고 샘플링할 대상을 선택합니다.또한 오버헤드 관점에서 상위 계층은 이러한 차량을 대상으로 안전하게 통과할 수 있는 경로를 결정할 수 있습니다.지상군 차량은 우주 수송 및 공중 수송 차량이 획득한 원격 감지 데이터를 보완하는 로컬 데이터를 수집합니다.

공간 기반 및 지상 계층 외에도 풍선, 블림프, 무인 항공기(UAV)와 같은 차량이 서로 다른 고도에 있는 여러 공중 계층이 있을 수 있습니다.계층 확장 가능한 정찰 패러다임은 우주, 항공 및 지상 응용 분야에 국한되지 않고 과학, 상업 또는 군사적 목적으로 물, 지하 및 해저 시나리오에도 적용될 수 있습니다.

계층 확장 가능한 정찰 패러다임도 고도로 자동화되어 있습니다.우주발사체는 자율적으로 공중차량을 지휘통제하고, 공중차량은 지상층 정찰차량을 지휘통제합니다.이것은 궤도선, 비행선, 그리고 로버들이 통일되고 통제된 방식으로 행동할 수 있게 해줍니다.이 패러다임을 사용하는 임무 또한 더 생존 가능한 것으로 간주됩니다.공중 및 지상 계층 차량은 상당히 저렴하고 심지어 소모품일 수 있기 때문에, 그러한 많은 차량은 보완적인 기기 세트로 수많은 과학 목표를 탐색하는 데 집단적으로 사용될 수 있습니다.한 대 이상의 차량이 고장이 나더라도 다른 차량이 존재하여 느슨한 부분을 차지하고 임무를 계속 수행합니다.

시나리오

계층 확장 가능한 정찰 임무는 행성체에 큰 관심이 있는 목표물에 접근할 수 있게 해주는데, 이는 현재 기존의 단일 로버 또는 단일 궤도선 임무 설계로는 불가능한 것입니다.또한 계층 확장형 정찰 임무를 통해 지질학자들이 지구상의 지역을 탐사하는 방식을 모방하여 이전보다 더 넓은 지표면 영역을 확장할 수 있으며, 따라서 더 많은 데이터를 반환할 수 있습니다.

계층 확장 가능 패러다임이 다양한 환경 시나리오에 어떻게 적응하는지 고려해 보십시오.

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  • 대기가 있고 표면 온도가 극단적이지 않은 환경(지구, 화성):
    • 계층 1: 배치 및 제어를 안내하는 우주 궤도선
    • Tier 2: 공기 중에 떠다니는 풍선 또는 블림프(blimps), 배치 및 제어
    • Tier 3: 표면 기반 부표 및 센서, 배치 및 제어
    • 4단계: 잠수정 및 센서.
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  • 대기가 있고 표면 온도가 극단적인 환경(비너스,[2] 타이탄)
    • 계층 1: 배치 및 제어를 안내하는 우주 궤도선
    • Tier 2: 공기 중의 풍선 또는 블림프, 조건이 허락하는 경우, 전개 및 제어
    • 3단계: 지상 센서 웹, 로버 또는 잠수정.
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  • 대기가 없고 표면 조건이 극단적인 환경(Mercury, Moon, Europa):
    • 계층 1: 배치를 안내하고 통신하는 우주 궤도선
    • Tier 2: 지상 기반 로버 및 센서 웹.

지휘 및 운용

전통적인 방법을 사용하면 소수의 정찰 차량에 대한 동시 지휘가 매우 복잡해지기 때문에 계층 확장 가능 패러다임의 물류 및 계산 요구는 그러한 차량에 장착할 수 있는 컴퓨터를 넘어 빠르게 확장됩니다.이 문제는 라운드 로빈 동시 명령 [3]체계를 사용하여 해결됩니다.이 방식에서는 차량을 동시에 명령하지 않고 각 차량을 차례로 명령합니다.또한 각 차량에는 실행할 수 있는 작은 명령 집합이 제공됩니다.이러한 방식으로 한 차량은 명령을 받고 다른 차량은 명령을 실행합니다.차량이 서로 얼마나 가까이 있고 내비게이션 명령을 얼마나 정확하게 실행하는지에 따라 항공기 전개 재평가가 수행되어 각 차량에 대해 정제된 궤적이 계산됩니다.따라서 충돌 위협 없이 각 차량을 차례로 명령할 수 있습니다.

계층 확장 가능 패러다임에서 지상 계층 차량은 일반적으로 블림프 또는 풍선과 같은 지역 항공 차량을 사용하여 명령됩니다.공중 차량에는 지상 차량과 함께 사용할 수 있는 기내 추적 및 명령 시스템이 포함되어 있습니다.광범위한 시야에서, 항공기에 탑재된 추적 및 지휘 시스템은 장애물과 흥미로운 과학 목표를 모두 식별하여 지상군 차량에 대한 최적의 경로를 결정합니다.그런 다음 지상 차량은 식별된 장애물을 피하면서 작동 구역을 통해 지정된 목표물까지 탐색하도록 지시됩니다.따라서 이 접근 방식은 지상 계층 차량의 제한된 수평 뷰에 의존하지 않습니다.각 지상 계층 차량에는 정보를 수집하기 위한 자체 계기 모음이 포함되어 있으며, 이는 공수 계층으로 다시 전송됩니다.

지상 차량은 목표물로 향하는 도중에 측정을 수행할 수 있습니다.도중에 흥미로운 물체가 발견되면 차량에서 해당 물체를 탐색하기 위한 지휘 계층의 허가를 요청할 수 있습니다.지상 차량은 통과할 수 없는 지리적 영역에 위치할 수도 있습니다.이 경우 목표물에 대한 대체 궤적을 요청하거나 목표물 재할당을 요청할 수 있습니다.이러한 해결책은 더 높은 수준의 공중 지휘 계층이 각 단계에서 각 차량의 궤적을 개선하면서 차량의 배치를 재평가할 수 있기 때문에 가능합니다.이러한 방식으로, 모래땅에서 미끄러지는 것과 같이 차량이 코스를 벗어나야 하는 경우에도 지휘 계층은 차량의 현재 위치를 기반으로 목표물로 가는 경로를 다시 계산합니다.

적용들

로봇 정찰 작전은 우주와 같은 극한의 환경뿐만 아니라 군사적 또는 테러리스트 활동과 관련된 잠재적으로 위험하거나 접근하기 어려운 지구의 작전 구역, 생화학 물질, 방사선 또는 자연 재해에 노출된 지역에서도 요구됩니다.

계층 확장 가능한 정찰을 통해 협곡, 산맥, 무질서하고 험준한 지형, 충돌 분지 및 분화구, 심지어 화산 및 액체 웅덩이 또는 호수와 같은 현재 방문이 불가능한 지질학적 장소에 대한 액세스가 가능합니다.게다가, 일반적으로 외계 생물학적 활동, 특히 샘플 귀환 임무를 찾는 데 특히 중요한 태양계의 행성체에는 과학적 관심의 다른 이국적인 영역이 존재합니다.

잠재적인 지상 응용 분야에는 국토안보부, 국경 통제, 전장 감시 및 정찰, 통신 중계, 기상 관측뿐만 아니라 군사 검문소의 모니터링, 대치 상황 감지 및 지뢰 제거와 같은 폭발물의 전달/제거가 포함됩니다.

장점 및 시사점

계층 확장형 정찰 아키텍처의 주요 이점은 다음과 같습니다.

  1. 단순하고 저렴하고 소모성인 지상 차량의 배치를 가능하게 하는 지상 항법
  2. 다중 지상 차량의 효율적인 지휘
  3. 임무 안전성, 신뢰성 및 생존 가능성
  4. 최적화된 목표 식별, 경로 계획 및 장애물 회피
  5. 실시간 정찰을 통해 활성 이벤트를 식별하고 특성화할 수 있습니다.

또한, 지상 차량이 필요한 장소 근처에 이미 배치되어 있기 때문에, 계층 확장형 정찰은 지상 차량의 주행 요구사항을 줄입니다.따라서 주행은 필요한 위치를 향해 "장거리" 주행하는 것과 달리 지상 차량의 위치를 "미세 조정"하여 로컬 샘플링을 수행하는 것으로 제한됩니다.따라서, 운전 능력이 제한된 저렴하고 소모적인 소형 차량을 사용할 수 있습니다.

지상 계층 차량은 데이터 분석을 고급 컴퓨팅 장비를 갖춘 1차 랜더 이상의 계층으로 오프로드하기 때문에 온보드 컴퓨팅 기능이 제한됩니다.개념적으로 주 랜더는 계층 간의 행성 인터넷 라우터와 마찬가지로 통신 릴레이 역할도 하는 고급 컴퓨팅 엔진입니다.따라서 계층 확장 가능 정찰 패러다임은 고유한 아키텍처에 의해 자체적으로 확장된 분산 컴퓨팅 토폴로지입니다.

개발

계층 확장형 정찰 패러다임의 개별 구성 요소는 현재 개발 중이거나 이미 "현장에서" 테스트 및 검증되었습니다.여기에는 궤도선, 풍선, 비행선, 그리고 센서 웹뿐만 아니라 로버와 착륙선과 같은 지상 기반 차량이 포함됩니다.그러나 가장 큰 문제는 하드웨어가 아니라 계층 확장 가능한 미션의 모든 구성 요소를 [4]자동으로 통합하고 작동할 수 있는 "지능형" 소프트웨어인 것 같습니다.

레퍼런스

  1. ^ Fink W, Dohm JM, Tarbell MA, Hare TM, Baker VR (2005) 차세대 로봇 행성 정찰 임무: 패러다임 전환; 행성 및 우주 과학, 53, 1419–1426
  2. ^ Noor AK, Cutts JA, Balint TS(2007) 발견을 위한 플랫폼: 타이탄과 금성 탐사; Aerospace America/2007년 6월
  3. ^ Fink W, Tarbell MA, Jobling FM(2008) 계층 확장형 정찰 – 화성 및 그 너머의 자율 원격 행성 탐사의 패러다임 전환."행성 화성 연구 초점"의 1장, Ed.F. 콜럼버스노바 사이언스 출판사, 하우퍼지, 뉴욕 (언론)
  4. ^ Popular Science Magazine, 2006년 3월호:비행선과 절벽을 기어오르는 로봇을 이용한 화성 탐사