Многоуровневая разведка - Tier-scalable reconnaissance

Разведка с масштабируемым уровнем:Трехуровневое использование на Марсе. Уровень 1: космический орбитальный аппарат; Уровень 2: воздушные дирижабли; Уровень 3: наземные вездеходы.

Многоуровневая разведка это термин для подхода к развертыванию и контролю автомобили в нескольких областях интересов, например, при исследовании планеты или различные регионы на Земле. Это не жесткая или фиксированная парадигма, но ее можно бесконечно расширять. Он использует иерархические уровни надзора, называемые ярусы, каждый уровень командует или контролирует технику в пределах уровня под ним. Размер каждого уровня можно масштабировать от одной до нескольких машин.

Происхождение

Парадигма многоуровневой разведки была предложена доктором Дж. Вольфганг Финк и другие.^[1] на Калифорнийский технологический институт.

История

Роботизированный планетарные исследования миссии обычно используют один спускаемый аппарат или же ровер. Это сделано в силу конструкции, обусловленной, главным образом, ограничениями безопасности и инженерными ограничениями за счет надежности миссии и результатов научных исследований. Роверы, как правило, являются мобильными платформами, но они не могут исследовать несколько удаленных участков на одном поверхность планеты. Обычно они не используются для исследования потенциально опасный, научно интересные регионы. С другой стороны, орбитальные спутники имеют преимущество глобальной перспективы, но упускают много поверхностной подробной информации. В любом случае, используя марсоход или орбитальный аппарат, отслеживать меняющиеся события на поверхности сложно, а то и вообще невозможно.

С другой стороны, масштабируемая по уровням разведка распределяет бремя сбор данных на разных логических уровнях. Таким образом, миссия становится более распределенной, целенаправленной и менее ограниченной. А из-за большого количества техники на каждом уровне миссия более выживаема и способна. Рассмотрим следующий сценарий. Транспортные средства на космическом и воздушном уровнях имеют вид сверху в разных масштабах и разрешениях. Они определяют области интересов и получают местность данные, а затем выбрать цели для посещения и отбора проб наземной техникой. Перспектива сверху также позволяет более высоким уровням определять пути для безопасного проезда этих транспортных средств к своим целям. Транспортные средства наземного уровня собирают локальные данные, которые дополняют данные дистанционного зондирования, полученные космическими и бортовыми аппаратами.

Помимо космического и наземного ярусов, может быть несколько бортовых ярусов с такими транспортными средствами, как шарики, дирижабли, и беспилотные летательные аппараты (БПЛА) на разных высотах. Парадигма многоуровневой разведки не ограничивается космическими, воздушными и наземными приложениями, но также может применяться к воде, подземным и подземным объектам. дно океана сценарии для научных, коммерческих или военный целей.

Парадигма многоуровневой разведки также весьма высока. автоматизированный. Космические орбитальные аппараты автономно командуют и управляют бортовыми аппаратами, а бортовые аппараты, в свою очередь, командуют и управляют наземными разведывательными аппаратами. Это позволяет орбитальным аппаратам, дирижаблям и марсоходам действовать единообразно и управляемо. Миссия, использующая эту парадигму, также считается более выживаемой. Поскольку бортовые и наземные машины могут быть довольно недорогими и даже одноразовыми, многие такие машины можно использовать совместно для исследования многочисленных научных целей с дополнительными наборами инструментов. Даже если одна или несколько машин выйдут из строя, присутствуют другие, чтобы восполнить слабину и продолжить миссию.

Сценарии

Многоуровневые разведывательные миссии позволяют получить доступ к представляющим большой интерес целям на планетных телах, что в настоящее время невозможно при использовании обычных одноходовых или одноорбитальных миссий. Масштабируемые по уровню разведывательные миссии также позволяют охватить большие площади поверхности, чем это было возможно ранее, - имитируя путь геологи исследовать регионы на Земле - и, следовательно, обеспечивать более высокий возврат данных.

Рассмотрим, как парадигма многоуровневого масштабирования адаптируется к различным сценариям окружающей среды:

Среды с атмосферой и неэкстремальными температурами поверхности (Земля, Марс ):
- Уровень 1: космические орбитальные аппараты, которые направляют развертывание и контроль
- Уровень 2: воздушные шары или дирижабли, которые, в свою очередь, развертываются и контролируются
- Уровень 3: на поверхности буи, и датчики, которые, в свою очередь, развертывают и контролируют
- Уровень 4: Подводные лодки и датчики.

Среды с атмосферой и экстремальными температурами поверхности (Венера, Титан ):^[2]
- Уровень 1: космические орбитальные аппараты, которые направляют развертывание и контроль
- Уровень 2: Воздушные шары или дирижабли, которые, если позволяют условия, развертываются и контролируются.
- Уровень 3: Земля сенсорные полотна, вездеходы или подводные аппараты.

Среды без атмосферы и с экстремальными условиями поверхности (Меркурий, Луна, Европа ):
- Уровень 1. Космические орбитальные аппараты, которые управляют развертыванием и поддерживают связь с
- Уровень 2: Наземные вездеходы и сенсорные сети.

Командование и работа

При использовании традиционных средств одновременное командование даже несколькими разведывательными машинами становится чрезвычайно сложным, поэтому материально-техническое обеспечение и вычислительный требования многоуровневой парадигмы быстро масштабируются за пределы компьютеров, которые могут поместиться на таких транспортных средствах. Эта проблема решается с помощью циклическая схема одновременного управления.^[3] В этой схеме машины не управляются одновременно; вместо этого каждый получает команду по очереди, один за другим. Более того, каждому транспортному средству дается небольшой набор команд для выполнения. Таким образом, одна машина управляется, в то время как другие выполняют полученные команды. В зависимости от того, насколько близко машины находятся друг к другу и насколько точно они выполняют свои навигация команд, выполняется переоценка воздушного развертывания, так что уточненные траектории вычисляются для каждого транспортного средства. Таким образом, каждой машиной можно управлять по очереди без угрозы столкновение.

В парадигме многоуровневого масштабирования наземной техникой командование обычно осуществляется с помощью местных бортовых транспортных средств, таких как дирижабли или воздушные шары. На бортовых машинах есть бортовые системы слежения и управления для использования с наземными машинами. С широким полем обзора бортовые системы слежения и управления самолетами определяют оптимальные пути для наземных машин, выявляя как препятствия, так и интересные научные цели. Затем наземным машинам дается команда пройти через зону боевых действий к обозначенным целям, избегая при этом обнаруженных препятствий. Таким образом, этот подход не основан на ограниченном горизонтальном обзоре наземной техники. Каждая машина наземного уровня включает в себя собственный набор инструментов для сбора информации, которая передается обратно на бортовой уровень.

Машины наземного уровня могут проводить измерения на пути к своим целям. Если по пути встречается интересный объект, машина может запросить у командующего уровня разрешение на его исследование. Автомобиль наземного уровня также может оказаться в районе география через который он не может пройти. В этом случае он запросит альтернативную траекторию к своей цели или даже переназначение цели. Эти решения возможны, потому что высший уровень воздушного командования может переоценить развертывание машин, уточняя траектории каждой из машин на каждом этапе. Таким образом, даже если транспортное средство отклонится от курса, например, при скольжении по песчаная почва, командирский уровень пересчитает путь к цели в зависимости от текущего положения машины.

Приложения

Роботизированные разведывательные операции необходимы в экстремальных условиях, таких как космос, а также в потенциально опасных или недоступных операционных областях на Земле, например, связанных с военными или террорист деятельность или области, которые подвергались воздействию биохимический агенты, радиация, или же Стихийные бедствия.

Многоуровневая разведка открывает доступ к геологическим объектам, которые в настоящее время невозможно посетить, например к каньоны, Горные хребты, хаотичная и пересеченная местность, ударные бассейны и кратеры, четное вулканы и жидкие бассейны или озера. Кроме того, на планетных телах Земли существуют другие экзотические места, представляющие научный интерес. Солнечная система которые особенно важны в поисках внеземных биологический активность в целом и миссии по возврату образцов в частности.

Возможные наземные приложения включают: Национальная безопасность, пограничный контроль, поле битвы наблюдение и разведка, телекоммуникационное реле, и погодные наблюдения, а также мониторинг военные блокпосты, обнаружение противостояния и доставка / удаление взрывчатка Такие как мина очистка.

Преимущества и последствия

Некоторые из основных преимуществ многоуровневых архитектур разведки включают:

Навигация над головой, позволяющая использовать простые, недорогие, одноразовые наземные транспортные средства;
Эффективное управление несколькими наземными транспортными средствами;
Безопасность, надежность и живучесть миссии;
Оптимизированная идентификация цели, планирование пути и обход препятствий; и
Разведка в реальном времени, позволяющая идентифицировать и характеризовать активные события.

Кроме того, масштабируемая разведка снижает требования к управлению наземной техникой, поскольку они уже развернуты в непосредственной близости от того места, где они должны быть. Следовательно, вождение ограничено «точной настройкой» местоположения наземных транспортных средств для выполнения локального отбора проб, в отличие от «дальнего» движения к месту, где они должны быть. Следовательно, можно использовать недорогие одноразовые миниатюрные автомобили с ограниченными возможностями вождения.

Транспортные средства наземного уровня имеют ограниченные вычислительные возможности на борту, поскольку они разгружают анализ данных в основной посадочный модуль или более высокие уровни, которые имеют вычислительное оборудование более высокого класса. Концептуально основной посадочный модуль - это высококлассный вычислительный двигатель, который также действует как реле связи, во многом как планетарный интернет-роутер между ярусами. Таким образом, многоуровневая парадигма разведки по присущей ей архитектуре является расширенным распределенных вычислений топология сама по себе.

События

Отдельные компоненты многоуровневой парадигмы разведки либо находятся в стадии разработки, либо уже протестированы и испытаны «в полевых условиях». К ним относятся орбитальные аппараты, воздушные шары, дирижабли, дирижабли, и наземные транспортные средства, такие как вездеходы и спускаемые аппараты, а также сенсорные сети. Однако самая большая проблема, похоже, заключается не столько в аппаратном обеспечении, сколько в «Умное» программное обеспечение это позволит интегрировать все компоненты масштабируемой многоуровневой миссии и работать автономно.^[4]