階層的に拡張可能な偵察

階層スケーラブルな偵察とは、惑星や地球上のさまざまな地域の探査など、複数の関心領域に車両を展開および制御するアプローチのことです。これは、厳密で固定されたパラダイムではなく、無限に拡張可能です。階層と呼ばれる階層的な監視レベルを使用し、各階層は下位の階層内の車両を指揮または制御します。各階層のサイズは、1 台から多数の車両まで拡張できます。

階層スケーラブルな偵察パラダイムは、カリフォルニア工科大学のWolfgang Fink博士ら^[1]によって考案されました。

ロボットによる惑星探査ミッションでは、通常、着陸機またはローバーが 1 台使用されます。これは設計によるもので、主に安全性とエンジニアリング上の制約によって、ミッションの信頼性と科学的成果が犠牲になっています。ローバーは一般に優れた移動プラットフォームですが、惑星表面の複数の遠隔地を探索することはできません。通常、潜在的に危険で科学的に興味深い地域の探索には使用されません。その一方で、軌道を周回する衛星は地球全体を観察できるという利点がありますが、表面の詳細な情報はほとんど得られません。どちらの場合でも、ローバーまたはオービターを使用して表面で変化するイベントを監視することは困難であり、まったく不可能である場合もあります。

一方、階層スケーラブルな偵察では、データ収集の負担をさまざまな論理階層に分散します。このようにして、ミッションはより分散され、目標指向となり、制約が少なくなります。また、各階層に多数の車両があるため、ミッションの存続性と能力が向上します。次のシナリオを検討してください。宇宙搭載層と空中搭載層の車両は、異なるスケールと解像度で上空からの視点を持っています。関心領域をマッピングして地形データを取得し、地上車両による訪問とサンプリングのターゲットを選択します。上空からの視点により、上位層はこれらの車両がターゲットまで安全に通過するための経路を決定することもできます。地上層の車両は、宇宙搭載車両と空中車両によって取得されたリモート センシングデータを補完するローカル データを収集します。

宇宙および地上の階層に加えて、気球、飛行船、無人航空機(UAV) などの乗り物がさまざまな高度にある空中階層がいくつかある場合があります。階層スケーラブルな偵察パラダイムは、宇宙、空中、地上のアプリケーションに限定されず、科学的、商業的、または軍事的目的で、水、地下、海底のシナリオにも適用できます。

階層スケーラブルな偵察パラダイムも高度に自動化されています。宇宙船の周回衛星が空中の乗り物を自律的に指揮・制御し、空中の乗り物が地上層の偵察乗り物を指揮・制御します。これにより、周回衛星、飛行船、ローバーが統一された制御された方法で行動できます。このパラダイムを使用するミッションは、より生存性が高いとも考えられています。空中および地上層の乗り物は非常に安価で、使い捨てにすることもできるため、このような乗り物を多数まとめて使用し、補完的な一連の機器を使用して多数の科学ターゲットを探索できます。1 台以上の乗り物が故障した場合でも、他の乗り物がその不足分を補い、ミッションを続行します。

階層的に拡張可能な偵察ミッションにより、惑星上の非常に興味深いターゲットにアクセスできるようになります。これは、従来の単一ローバーまたは単一オービターのミッション設計では現在実現不可能なことです。階層的に拡張可能な偵察ミッションでは、地質学者が地球上の地域を探索する方法を模倣して、これまで可能だったよりも広い表面積をカバーすることも可能になり、より多くのデータを取得できるようになります。

階層スケーラブルなパラダイムがさまざまな環境シナリオにどのように適応するかを検討します。

• 大気があり、表面温度が極端に高くない環境（地球、火星）：
  • ティア1: 宇宙船の軌道上探査機。
  • レベル2: 空中気球または飛行船。展開して制御する。
  • ティア3: 表面に設置されたブイとセンサー。これらは、
  • ティア 4:潜水艇とセンサー。

• 大気があり表面温度が極めて高い環境（金星、タイタン） : ^[2]
  • ティア1: 宇宙船の軌道上探査機。
  • レベル2: 条件が許せば展開して制御する空中気球または飛行船
  • ティア 3: 地上センサー ウェブ、ローバー、または潜水艇。

• 大気がなく表面条件が極端な環境（水星、月、エウロパ）：
  • ティア1: 宇宙船の展開を誘導し、通信を行う宇宙船
  • 階層 2: 地上ベースのローバーとセンサー ウェブ。

従来の方法を使用すると、たとえ数台の偵察車両を同時に制御するだけでも非常に複雑になるため、階層型スケーラブル パラダイムのロジスティクスと計算の要求は、そのような車両に搭載できるコンピュータの能力をすぐに超えてしまいます。この問題は、ラウンドロビン同時制御方式を使用することで克服できます。^[3]この方式では、車両は同時に制御されず、代わりに、各車両が 1 台ずつ順番に制御されます。さらに、各車両には実行するための小さなコマンド セットが与えられます。このようにして、1 台の車両が制御されている間に、他の車両は発行されたコマンドを実行します。車両が互いにどれだけ近いか、および車両がナビゲーションコマンドをどれだけ正確に実行しているかに応じて、空中展開の再評価が行われ、各車両のより正確な軌道が計算されます。したがって、衝突の脅威なしに、各車両を順番に制御できます。

階層スケーラブルなパラダイムでは、地上層の車両は通常、飛行船や気球などのローカル航空機を使用して制御されます。航空機には、地上層の車両で使用するためのオンボード追跡およびコマンド システムが搭載されています。広い視野を持つ航空機に搭載された追跡およびコマンド システムは、地上層の車両の最適な経路を決定し、障害物と興味深い科学ターゲットの両方を識別します。次に、地上層の車両は、識別された障害物を回避しながら、作戦エリアを通って指定されたターゲットまで移動するように指示されます。したがって、このアプローチは、地上層の車両の限られた水平視野に依存しません。各地上層の車両には、航空機に送り返される情報を収集するための独自の計器スイートが含まれています。

地上層の車両は、ターゲットに向かう途中で測定を行う場合があります。途中で興味深いオブジェクトに遭遇した場合、車両は指揮層にそのオブジェクトを探索する許可を要求できます。地上層の車両は、通過できない地理的領域にいる場合もあります。この場合、ターゲットへの別の軌道、またはターゲットの再割り当てを要求します。これらの解決が可能なのは、より高レベルの空中指揮層が車両の配置を再評価し、各車両の軌道を各ステップで調整できるためです。このように、砂地で滑るなどして車両がコースから外れた場合でも、指揮層は車両の現在の位置に基づいてターゲットへの経路を再計算します。

ロボットによる偵察活動は、宇宙などの極限環境だけでなく、軍事活動やテロ活動に関連する地域、生化学物質、放射線、自然災害にさらされた地域など、地球上の潜在的に危険な、またはアクセスできない作戦地域でも求められています。

階層的に拡張可能な偵察により、峡谷、山脈、混沌とした険しい地形、衝突盆地やクレーター、さらには火山や液体のプールや湖など、現在は訪問が不可能な地質学的場所へのアクセスが可能になります。さらに、太陽系の惑星体には科学的に興味深い他のエキゾチックな場所が存在し、これらは地球外生物活動全般の探索、特にサンプルリターンミッションにおいて特に重要です。

地上での潜在的な用途としては、国土安全保障、国境管理、戦場の監視と偵察、通信中継、気象観測、さらに軍事検問所の監視、膠着状態の検出、地雷除去などの爆発物の運搬/除去などが挙げられます。

階層型スケーラブル偵察アーキテクチャの主な利点は次のとおりです。

1. オーバーヘッドナビゲーションにより、シンプルで安価な使い捨ての地上車両の配備が可能になります。
2. 複数の地上車両の効率的な指揮;
3. ミッションの安全性、信頼性、生存性。
4. 最適化されたターゲット識別、経路計画、障害物回避。
5. リアルタイムの偵察により、アクティブなイベントの識別と特徴付けが可能になります。

また、階層スケーラブルな偵察では、地上車両が必要な場所の近くにすでに配置されているため、地上車両の運転要件が軽減されます。したがって、運転は、必要な場所に向かって「長距離」運転するのではなく、ローカルサンプリングを実行するために地上層車両の位置を「微調整」することに限定されます。したがって、運転機能が制限された、安価で使い捨ての小型車両を使用できます。

地上層の機体は、データ分析をプライマリ着陸機またはより高性能なコンピューティング機器を備えた上位層にオフロードするため、搭載コンピューティング能力が限られています。概念的には、プライマリ着陸機は、通信リレーとしても機能する高性能コンピューティング エンジンであり、層間の惑星インターネット ルーターに似ています。したがって、層スケーラブルな偵察パラダイムは、その固有のアーキテクチャにより、それ自体が拡張された分散コンピューティングトポロジです。

階層型スケーラブル偵察パラダイムの個々のコンポーネントは、開発中であるか、すでに「現場で」テストされ、実証されています。これらには、軌道衛星、気球、飛行船、飛行船、ローバーや着陸機などの地上車両、センサーウェブが含まれます。ただし、最大の課題はハードウェアではなく、階層型スケーラブルミッションのすべてのコンポーネントを統合して自律的に機能させる「インテリジェント」ソフトウェアであると思われます。^[4]