У каждого — свой кусок неба: кто должен охранять орбиту Земли от космического мусора и при чём тут ИИ

Если верить данным Европейского космического агентства на середину 2024 года, на околоземной орбите курсируют более 35 тысяч различных объектов, размеры которых превышают 10 сантиметров. В число этих тел входят порядка 10 тысяч работающих спутников, а всё остальное – фрагменты космического мусора. Если говорить о совсем мелких объектах, их число давно превысило отметку в 100 миллионов единиц. Но кто следит за этим богатством? Не угрожает ли оно аппаратам, выполняющим на орбите свои задачи? А если да, не пора ли подключать мощные ресурсы для решения проблемы?

Пора завязывать с угрозами

В очередной раз обсуждения на тему необходимости отслеживания космического мусора вспыхнули после новости о разрушении европейского спутника Intelsat-33e. Взрыв оставил от аппарата сотни фрагментов, которые имеют все шансы столкнуться с работающими «коллегами» Intelsat-33e и вывести их из строя. Комментируя случившееся, замдиректора Научно-исследовательского института прикладной механики и электродинамики МАИ Александр Богатый отметил, что учёные, конечно, не оставляют без внимания подобные ЧП. Более того, по словам эксперта, занимаются данными вопросами специальные службы, которые могут в случае угрозы столкновения с мусором изменить траектории движения работающих аппаратов во избежание неприятностей.

— Обломки, летающие вокруг Земли, отслеживаются средствами наблюдения и заносятся в специальные каталоги. Их положение контролируется. Это необходимые условия для безопасных полётов в космос и пилотируемых, и автоматических космических аппаратов. Для этого есть службы и у нас, и в Европе. Иначе будут столкновения, и количество космического мусора будет только увеличиваться, – подчёркнул Александр Богатый.

Но есть нюанс. Как бы тщательно люди не пытались следить за космическим мусором на околоземной орбите, контролировать все до единого объекты не получится, заметил эксперт МАИ. А значит, необходимо внедрять новые технологии – созданные на базе искусственного интеллекта.

Полностью разделяет эту позицию и старший преподаватель кафедры 601 «Космические системы и ракетостроение» Московского авиационного института Иван Рудой. Он пояснил, что существующие для отслеживания космического мусора радары могут охватить только часть пространства. Им просто не хватает мощностей для полноценного наблюдения за ситуацией вокруг Земли.

— Сегодня до сих пор не создана единая система отслеживания всех летающих на орбите аппаратов и других объектов, в том числе космического мусора, которая могла бы без осечек предупреждать о столкновениях. Есть отдельные передовики, в частности, Россия, Франция, Германия, США, которые отслеживают очень много объектов, но делают это только при помощи собственных радаров, то есть видят только свой кусок неба. Таким образом, скопления мусора то попадают в зону видимости, то теряются. Учитывая все нюансы, предупреждения об угрозах столкновения могут быть ложными. Чтобы не путаться, нужно создать единую систему мониторинга, куда разными странами будут вноситься данные отслеживаемых объектов. И справиться с этим поможет IT, – заключил Иван Рудой.

IT = безопасность

Информационные технологии действительно имеют большие перспективы использования в космической отрасли, отмечают Александр Богатый и Иван Рудой. В частности, потому что компьютер умеет работать с огромными массивами данных, которые обычный человек и даже целый штат специалистов собрать и проанализировать не в состоянии – это займёт столетия. IT-разработки, особенно на базе искусственного интеллекта, помогут совершить настоящую революцию в деле контроля за околоземным пространством. Кстати, первые шаги в этой области уже сделаны.

Минувшим летом учёные из США представили систему ИИ Agatha, которая в автоматическом режиме мониторит расположение спутниковых группировок, космического мусора и прочих объектов на орбите. Agatha обучали на основе данных о моделируемых группировках спутников, которые собирали более 60 лет. К системе также подключили возможность обратного обучения – IRL: сложный метод анализа, при котором становится возможным оценивать поведение объектов и прогнозировать его. Уникальность системы Agatha в том, что она не только собирает и обрабатывает большие данные, но и по мере накопления информации сама обучается, выявляет аномалии и предлагает решения.

— Agatha представляет собой прорыв с точки зрения того, как искусственный интеллект может обеспечить беспрецедентную осведомлённость в космической области, поскольку её способность находить «иголки в стоге сена» – это то, чего не может достичь ни один человек или команда людей. Способность быстро выявлять аномалии – будь то неисправный космический аппарат или намеренно замаскированный «волк в овечьей шкуре» – становится всё более важным аспектом обеспечения безопасности в космосе и на Земле, – комментировал итоги тестирования разработки директор по науке о данных и искусственному интеллекту Slingshot Aerospace Дилан Кеслер.

Кроме большой платформы Agatha, в 2024 году также были представлены отдельные нейросети – плоды труда европейских астрономов и математиков YOLOv5 и YOLOv8. Их тренировали отслеживать околоземное пространство на базе анализа трёх тысяч снимков. В частности, использовали данные с радара TIRA – 47-метровой радиотарелки, помогающей мониторить ситуацию на орбите и получать изображения для поиска вероятных проблемных объектов. YOLOv5 и YOLOv8 зарекомендовали себя во время тестирований, показав по-настоящему высокие результаты: им удалось корректно обнаружить на фото от 85% до 97% частиц космического мусора размером больше одного сантиметра при минимальном числе ложных срабатываний.

— Методы машинного обучения в перспективе не только позволят нам вести более детальные наблюдения за космическим мусором, но и резко повысят эффективность борьбы с этой угрозой. Они помогут нам оперативно выявлять и отслеживать самые малозаметные объекты, что позволит заранее принимать решения, способствующие снижению риска для орбитальной группировки, – комментировала прорыв в области анализа данных с орбиты научный сотрудник Университета Рома-Тре Федерика Массими.

Действительно, о серьёзных угрозах от космического мусора ещё в 1978 году предупреждал выдающийся учёный из NASA Дональд Кесслер. В частности, говоря о важности обеспечения безопасности спутников. Эксперт сумел доказать, что накопление опасных объектов в околоземном пространстве, а также увеличение их плотности может создать условия, при которых столкновение двух подобных частиц вызовет своеобразную «цепную реакцию», которая приведёт к уничтожению всех аппаратов, работающих на высоте орбиты МКС и выше.

— Независимые учёные давно пришли к выводу, что текущая мусорная среда является «нестабильной» или превышает критический порог. Так что любая попытка создать среду, в которой отсутствует рост мелкого мусора, путём устранения источников его образования, скорее всего, потерпит неудачу. Всё потому, что фрагменты от будущих столкновений будут генерироваться быстрее, чем их удалит атмосферное сопротивление, – сетовал Дональд Кесслер, намекая, что проблему нужно решать при помощи каких-то поистине инновационных идей.

Что с того?

Новость о создании и запуске в работу системы мониторинга Agatha, а также нейросетей YOLOv5 и YOLOv8 и в самом деле радостная. Но осталось только придумать, как распространить подобную практику и на другие страны. Ведь проблема, обозначенная Иваном Рудым, всё ещё остаётся: у каждого государства – свой кусок неба. А контроль требуется за всем околоземным пространством с целью исключения ЧП с негативными последствиями. Получится ли распространить умные решения иностранные коллег на другие континенты или жителям других государств, в том числе и России, придётся с нуля создавать свои платформы слежения за околоземным пространством на базе ИИ, а затем объединять усилия для обеспечения всеобщей безопасности, – вопрос открытый.

Материал подготовлен при поддержке Минобрнауки России