НТО КЭ Сферы - Координационный научно

Научно-техническое обоснование
космического эксперимента
«Отработка синхронизированного управления положением и
переориентацией экспериментальных спутников в условиях
невесомости»
1.
Сущность исследуемой проблемы. Краткая история и
состояние вопроса.
Одна из основных задач российской образовательной политики –
обеспечение современного качества образования. Достичь ее невозможно
без включения инновационных идей, технологий и средств обучения в
образовательный процесс. Особую роль здесь играет возможность
постановки и управления реальным экспериментом, что, несомненно,
дополнит имеющиеся комплекты учебно-методических материалов.
В международном образовательном эксперименте «Сферы» учащимся
14 – 19 лет на конкурсной основе предоставляется возможность участия в
разработке программ для роботов, имитирующих спутники. Программы
разрабатываются
для
экспериментальных
спутников
SPHERES,
находящихся на борту международной космической станции (МКС).
Эксперимент «Сферы» нацелен на привлечение учащихся к изучению
актуальных вопросов функционирования и взаимодействия распределенных
систем космических аппаратов (КА), разработке оригинальных способов и
алгоритмов возможного использования автономных КА, а также повышении
заинтересованности молодежи в исследовании космоса и, в частности, в
разработке перспективных решений в области беспилотных автономных КА.
Конкурс, проводимый в рамках эксперимента «Сферы», предоставляет
возможность обучения молодежи программированию в занимательной
форме, включающей разработку и тестирование собственных алгоритмов
для управления автономным беспилотным КА, а также позволяет принимать
участие в решении современных проблем освоения космоса, таких как:
задачи автономных беспилотных КА, взаимодействие автономных
беспилотных КА с пилотируемыми КА, космонавтами и друг с другом,
сборка КА на орбите.
Эксперимент «Сферы» включает в себя программирование
экспериментальных спутников SPHERES, свободный полёт этих спутников,
1
получение от спутников SPHERES данных и передача их на Землю наземной
группе операторов и группе специалистов по спутникам SPHERES для
проведения
дальнейшего
анализа.
Такой
анализ
позволяет
усовершенствовать уже существующие тесты или создавать новые для их
дальнейшего использования в следующих сеансах на борту МКС.
Участие в данном проекте даёт возможность российским школьникам
старших классов и студентам выступить в роли наземных операторов,
проводящих научно-исследовательскую работу в условиях космоса на борту
МКС с использованием спутников SPHERES. В ходе работы по проекту
команды школьников осваивают основы инженерного конструирования,
знакомятся с технологией приема и передачи телеметрии, приобретают
начальные
профессиональные
навыки
программирования
микроконтроллеров.
Возможность работы с реальной задачей, возможность управлять
спутником, помимо повышения познавательной активности учащихся за
счет увеличения наглядности и эмоциональной насыщенности, позволяет
решить ряд важных учебных задач:
 расширение теоретических и практических знаний учащихся;
 избегание формального подхода к проведению уроков;
 развитие логического мышления учащегося;
 усиление творческого мышления учащихся;
 использования информации для примеров построения алгоритмов, в
том числе как справочного материала и памяток для учащихся;
 привлечение молодежи к задачам автономных беспилотных КА.
2. Необходимость проведения КЭ в условиях космического
пространства на МКС.
На борту МКС находятся спутники SPHERES. В рамках эксперимента
«Сферы» учащиеся под руководством квалифицированных специалистов
разрабатывают алгоритмы решения поставленных задач для отработки
набора конкретных инструкций по выполнению космическими аппаратами
автономных маневров, таких как: сближение и стыковка, сервисное
обслуживание и сборка на орбите, образование групповых формаций,
включая автономный полет в составе объединенной группы, планирование
траекторий, избежание столкновений, автономное маневрирование,
оптимизация расхода топлива, захват, буксировка, различные манипуляции с
2
произвольными объектами и т.д. Данные, получаемые от изучения
спутников, передаются по системе связи Operations Local Area Network (Ops
LAN) на Землю наземной группе для дальнейшего анализа. Такой анализ
позволяет усовершенствовать уже существующие тесты или создавать новые
для их дальнейшего использования в следующих сеансах на борту МКС.
3.
Описание космического эксперимента
Целью КЭ «Сферы» является демонстрация решения задач управления
автономными беспилотными космическими аппаратами в интересах
привлечения молодежи к современным проблемам освоения космоса. В
рамках КЭ «Сферы» учащиеся и преподаватели российских школ имеют
возможность формировать алгоритмы и рассматривать движение спутников
в рамках поставленной задачи.
При подготовке эксперимента формулируется список вопросов, которые
возможно рассмотреть в рамках разработки учащимися способов и
алгоритмов применения автономных КА, которые могут быть
протестированы с использованием оборудования SPHERES, находящегося
на МКС.
Разработку могут осуществлять учащиеся РФ указанных возрастных
групп без ограничения территориальной принадлежности. Вся работа по
исследуемым вопросам будет координироваться через электронный ресурс,
на котором возможно обмениваться всей необходимой информацией.
Для реализации КЭ «Сферы» необходимо:
1.
Зарегистрироваться на сайте проекта http://zerorobotics.mit.edu/,
создать командный аккаунт, подписаться на работу в рамках ближайшей
миссии.
2.
Начать тестовое программирование спутника в рамках задачи
описания его движения.
3.
Написать алгоритм в рамках двумерной задачи, которая дает
возможность тестового моделирования задачи.
4.
Написать программу трехмерной задачи, которая описывает
реальное движение спутника и решение поставленной задачи.
5.
Участвовать в соревновании командных альянсов, в которых
объединяются несколько команд для лучшего решения поставленной задачи.
На всех этапах работы учащиеся будут сотрудничать с
квалифицированными специалистами, что позволит им на практике
3
подкрепить свое оригинальное видение необходимыми знаниями.
Полученные алгоритмы будут оценены специалистами, после чего пройдет
представление верных алгоритмов их авторами на международный конкурс
алгоритмов для оборудования SPHERES.
Алгоритмы, которые одержат победу в конкурсе, будут опробованы на
оборудовании SPHERES на МКС, а их авторы будут награждены дипломами
Федерального космического агентства.
4.
Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с
аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями
Конкурсы в рамках эксперимента НАСА «SPHERES-Zero Robotics»
проводятся ежегодно с октября 2009 года. В настоящее время НАСА
совместно с Массачусетским технологическим университетом в рамках
реализуемой пропагандистско-образовательной программы накоплен
положительный опыт использования алгоритмов и программ, полученных
для SPHERES.
Опыт НАСА стал толчком для проведения КЭ «Сферы» в рамках
российской научной программы КЭ на борту МКС для дальнейшего
внедрения результатов КЭ в российскую образовательную систему.
5.
Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование
Проект способствует воспитанию нового поколения учёных и
инженеров, помогает молодёжи приобретать инженерно-технический опыт и
такие важные профессиональные навыки, как умение решать научнотехнические задачи, работать в команде, делать презентации и другие
навыки. Реализация данного эксперимента будет содействовать развитию и
расширению международного сотрудничества на МКС в интересах
дальнейшей интеграции России в систему мировых культурных,
образовательных и научных связей.
Совмещение программирования спутников и работы с реальными
задачами позволит лучше понять проблемы, стоящие перед космическими
исследованиями. Работы учащихся могут представлять научный интерес в
качестве нового концептуального видения применения и взаимодействия
друг с другом и иными объектами автономных летательных аппаратов в
космосе и в атмосфере Земли.
4
По результатам эксперимента эффективные решения смогут найти
применение в современной космонавтике.
6.
Обоснование технической возможности создания НА с
заданными характеристиками
В КЭ используется штатная аппаратура, не требующая доработки.
7.
Характеристики рисков и дискомфорта
связанных с КЭ
для экипажа,
Проведение эксперимента на борту МКС не создает опасных ситуаций
для экипажа и МКС.
5