Dotar de inteligencia artificial a un satélite ya en órbita

OPS-SAT es un satélite de la Agencia Espacial Europea (ESA), el primero de su clase que ha sido diseñado con el único propósito de probar y validar nuevas técnicas de control de misión y sistemas de a bordo. Este “laboratorio volante”, lanzado el 18 de diciembre de 2019 como carga útil secundaria junto con la misión CHEOPS, se configura como demostrador de las mejoras en la capacidad de control de misión que se derivan directamente del uso de ordenadores a bordo muy potentes. El satélite solo tiene 30 cm de altura (Cubesat 3U), pero contiene un ordenador experimental diez veces más potente que el de cualquier nave espacial actual de la ESA.

Es muy difícil realizar pruebas en vivo de los sistemas de control de misión. Nadie quiere correr ningún riesgo con un satélite existente y valioso, por lo que probar nuevos procedimientos, técnicas o sistemas en órbita no suele ser posible. OPS-SAT es un satélite de bajo coste, seguro y robusto, incluso si se produce algún fallo debido a las pruebas. “Con OPS-SAT, los diferentes experimentos seleccionados pueden tomar el control del mismo sin comprometer la misión”, sostiene Karl Olfe, doctorando de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM) en España que ha participado en el desarrollo de un experimento propuesto por el E-USOC (User Support and Operations Centre) de España, adscrito a la UPM.

Dicho experimento consiste en asumir el control de actitud del satélite, realizando una serie de maniobras, esto es, orientando el satélite mientras está en órbita, modificando su apuntamiento, con diversos tipos de algoritmos para comparar su comportamiento en órbita. “En este primer experimento se va a comparar un algoritmo de control de actitud basado en lógica difusa con el clásico PID (control Proporcional Integral Derivativo) para conocer las ventajas del uso de los algoritmos del primer tipo. La lógica difusa es una rama de la inteligencia artificial que busca reproducir el razonamiento humano experto mediante el uso de variables lingüísticas (en vez de numéricas) y estructuras condicionales del tipo ‘si… entonces’. Por ejemplo, si estuviésemos controlando la temperatura de una habitación querríamos que: ‘Si hace frío, entonces enciende la calefacción’. Donde ‘frío’ sería la variable lingüística difusa”, explica Karl Olfe.

El doctorando de la UPM, que asistió en 2019 a un workshop celebrado en el Centro Europeo de Operaciones Espaciales (ESOC, en Darmstadt, Alemania) para conocer el funcionamiento del OPS-SAT, ha desarrollado una aplicación compatible con el framework de OPS-SAT que realiza de forma automática todo el experimento: asume el control de actitud del satélite, selecciona el algoritmo correspondiente, dirige las maniobras, etcétera. Hasta llegar a ver la app terminada, ha tenido que: acceder a los datos del satélite, calcular las maniobras, comandar los actuadores y hacer que todo sea automático, ya que el contacto con el satélite desde la única estación de tierra existente solo dura 7 minutos en dos pases al día.

El satélite OPS-SAT durante unas pruebas de sus paneles solares en la Universidad Tecnológica de Graz, Austria. (Foto: TU Graz / ESA)

El trabajo previo del equipo del E-USOC ha sido también ingente de cara a calcular los distintos parámetros de los algoritmos de control, tanto el basado en lógica difusa como los PID, que se han calculado mediante su propio proceso de optimización basado en algoritmos genéticos propiamente diseñado para tal fin. “Los algoritmos genéticos son un tipo de algoritmos metaheurísticos muy usados para resolver problemas de optimización multiobjetivo. Este tipo de algoritmos se basa en simular cómo evoluciona una población inicial de ‘individuos’ matemáticos imitando los mecanismos de la Evolución, como la mutación genética y la selección natural. En nuestro caso, los “individuos” que evolucionaban eran los controladores y sus “genes” los parámetros de cada controlador”, explica el investigador Álvaro Bello, a cargo de estas optimizaciones.

Con la app totalmente desarrollada se han superado los ensayos en tierra con el modelo de ingeniería de la ESA que se encuentra en el ESOC y la primera versión ya está a bordo del satélite. Recientemente han realizado los primeros ensayos de integración a bordo con el satélite en órbita y ahora están inmersos en el análisis de los datos obtenidos para, trabajando junto a investigadores del ESOC, ajustar y actualizar la app a la versión definitiva que ejecutará el experimento completo.

“Los costes inherentes a una misión espacial, donde toda innovación supone un enorme riesgo, conllevan que no existan datos experimentales en el uso de controladores difusos en el espacio. Las simulaciones de estos algoritmos de control en distintas misiones espaciales confirman el buen comportamiento de estos en términos de coste, agilidad, precisión y robustez. Además, este tipo de controladores han demostrado muy buenos resultados en muchas áreas de la industria. Por todo ello, este experimento del E-USOC supone una buena oportunidad de probarlos en un satélite real”, concluyen los investigadores de la UPM. (Fuente: UPM)