È molto difficile condurre test in tempo reale dei sistemi di controllo missione. Nessuno vuole correre rischi con un satellite esistente e di valore, quindi testare nuove procedure, tecniche o sistemi in orbita non è solitamente possibile. OPS-SAT è un satellite economico, sicuro e robusto, anche in caso di guasto durante i test. "Con OPS-SAT, i vari esperimenti selezionati possono prenderne il controllo senza compromettere la missione", afferma Karl Olfe, dottorando presso il Politecnico di Madrid (UPM) che ha partecipato allo sviluppo dell'esperimento proposto dall'E-USOC.
Questo esperimento consiste nell'assumere il controllo di assetto del satellite eseguendo una serie di manovre, ovvero orientando il satellite in orbita, modificandone il puntamento e utilizzando diversi algoritmi per confrontarne il comportamento in orbita. “In questo primo esperimento, confronteremo un algoritmo di controllo dell'assetto basato sulla logica fuzzy con il classico controllore PID (Proporzionale-Integrale-Derivativo) per comprendere i vantaggi dell'utilizzo del primo. La logica fuzzy è una branca dell'intelligenza artificiale che cerca di replicare il ragionamento umano esperto attraverso l'uso di variabili linguistiche (anziché numeriche) e strutture condizionali del tipo 'se...allora'. Ad esempio, se dovessimo controllare la temperatura di una stanza, vorremmo: 'Se fa freddo, allora accendi il riscaldamento'. Dove 'freddo' sarebbe la variabile linguistica fuzzy”, spiega Karl Olfe.
Un'app per automatizzare il processo.
Il dottorando dell'UPM, che ha partecipato a un workshop nel 2019 presso il Centro europeo per le operazioni spaziali (ESOC) di Darmstadt per conoscere l'esperimento OPS-SAT, ha sviluppato un'applicazione compatibile con il framework OPS-SAT che esegue automaticamente l'intero esperimento: assume il controllo dell'assetto del satellite, seleziona l'algoritmo corrispondente, dirige le manovre, ecc. Per arrivare alla fine dello sviluppo dell'app, ha dovuto: accedere ai dati del satellite, calcolare le manovre, comandare gli attuatori e automatizzare il tutto, dato che il contatto con il satellite dall'unica stazione di terra esistente dura solo 7 minuti, con due passaggi al giorno.
Il lavoro preliminare del team E-USOC è stato inoltre immenso nel calcolo dei vari parametri degli algoritmi di controllo, sia dell'algoritmo basato sulla logica fuzzy che degli algoritmi PID, che sono stati calcolati utilizzando un loro processo di ottimizzazione basato su algoritmi genetici specificamente progettati per questo scopo. “Gli algoritmi genetici sono un tipo di algoritmo meta-euristico ampiamente utilizzato per risolvere problemi di ottimizzazione multi-obiettivo. Questo tipo di algoritmo si basa sulla simulazione dell'evoluzione di una popolazione iniziale di 'individui' matematici, imitando i meccanismi dell'evoluzione, come la mutazione genetica e la selezione naturale. Nel nostro caso, gli 'individui' in evoluzione erano i controllori e i loro 'geni' erano i parametri di ciascun controllore”, spiega il ricercatore Álvaro Bello, responsabile di queste ottimizzazioni.
Con l'app completamente sviluppata, i test a terra sono stati completati utilizzando il modello ingegneristico dell'ESA ospitato presso l'ESOC, e la prima versione è ora a bordo del satellite. Recentemente sono stati condotti i primi test di integrazione a bordo con il satellite in orbita e ora si sta analizzando il dato ottenuto. In collaborazione con i ricercatori dell'ESOC, si perfezionerà e si aggiornerà l'app alla versione finale che gestirà l'intero esperimento.
Un'opportunità unica
: "I costi intrinseci di una missione spaziale, dove ogni innovazione comporta rischi enormi, fanno sì che non esistano dati sperimentali sull'utilizzo di controllori fuzzy nello spazio. Le simulazioni di questi algoritmi di controllo in diverse missioni spaziali ne confermano le buone prestazioni in termini di costi, agilità, precisione e robustezza. Inoltre, questo tipo di controllore ha dimostrato ottimi risultati in molti settori industriali. Pertanto, questo esperimento E-USOC rappresenta una buona opportunità per testarli su un satellite reale", concludono i dell'UPM.
