@PhDThesis{Cividanes:2021:SoHíPl,
author = "Cividanes, Filipe de Simone",
title = "Uma solu{\c{c}}{\~a}o h{\'{\i}}brida de planejamento embarcado
para aumentar a autonomia operacional de sat{\'e}lites baseada em
rede de tarefas hier{\'a}rquicas e infer{\^e}ncia de estados",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2021",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2020-10-29",
keywords = "planejamento h{\'{\i}}brido, autonomia de sat{\'e}lites,
planejamento em rede de tarefas hier{\'a}rquicas, planejamento
cl{\'a}ssico baseado em a{\c{c}}{\~o}es, planejamento
automatizado de miss{\~a}o, planejamento de tempo real,
arquitetura de planejamento automatizado a bordo de sat{\'e}lite,
hybrid planning, satellite autonomy, hierarchical task network
planning, action-based classical planning, onboard automated
mission planning, real-time planning, satellite onboard automated
planning architecture.",
abstract = "Tradicionalmente, as opera{\c{c}}{\~o}es de miss{\~o}es
espaciais s{\~a}o baseadas em atividades planejadas pelo segmento
solo. Devido a janelas de visibilidade restritas e atrasos na
comunica{\c{c}}{\~a}o entre o sat{\'e}lite e as
esta{\c{c}}{\~o}es de opera{\c{c}}{\~a}o em solo, alguns
sistemas espaciais n{\~a}o podem ser completamente controlados
por solo em tempo real. Como forma de superar isso, os operadores
lan{\c{c}}am m{\~a}o da execu{\c{c}}{\~a}o agendada de
comandos temporizados, planejados com anteced{\^e}ncia pelo
centro de controle, para a opera{\c{c}}{\~a}o em
per{\'{\i}}odos fora de comunica{\c{c}}{\~a}o, que podem
atingir at{\'e} 90% do tempo da miss{\~a}o. Uma maneira de
melhorar a opera{\c{c}}{\~a}o {\'e} equipar o software de voo
com um sistema aut{\^o}nomo de tomada de decis{\~o}es, que
implemente t{\'e}cnicas de planejamento automatizado de
miss{\~a}o. Neste contexto, esta Tese prop{\~o}e uma
solu{\c{c}}{\~a}o h{\'{\i}}brida de planejamento embarcado
baseado em rede de tarefas hier{\'a}rquica e infer{\^e}ncia de
estados para aumentar o n{\'{\i}}vel de autonomia operacional de
sat{\'e}lites. A abordagem h{\'{\i}}brida desta Tese {\'e}
centrada nas regras de controle da decomposi{\c{c}}{\~a}o
hier{\'a}rquica de tarefas aliada {\`a} abordagem generativa do
planejamento cl{\'a}ssico baseado em a{\c{c}}{\~o}es. Tal
solu{\c{c}}{\~a}o implica na cria{\c{c}}{\~a}o de uma nova
forma de representa{\c{c}}{\~a}o do conhecimento a bordo do
sat{\'e}lite, de um planejador computacionalmente leve e
compat{\'{\i}}vel com as restri{\c{c}}{\~o}es impostas pelo
hardware de voo qualificado para uso espacial, que possui baixa
capacidade de processamento. Um planejador h{\'{\i}}brido e
modelo embarcado s{\~a}o propostos, implementados e testados como
elementos de uma arquitetura de planejamento hier{\'a}rquico
organizada em camadas que permite unificar planejamento e
escalonamento, mantendo-se a capacidade de revis{\~a}o de planos.
A solu{\c{c}}{\~a}o foi submetida a cen{\'a}rios experimentais
de planejamento embarcado a partir de um estudo de caso
real{\'{\i}}stico voltado a uma miss{\~a}o de sensoriamento
remoto. A modelagem do problema na nova representa{\c{c}}{\~a}o
do dom{\'{\i}}nio e os experimentos realizados em um ambiente
computacional representativo da {\'a}rea espacial puderam atestar
a viabilidade da solu{\c{c}}{\~a}o proposta. Os resultados de
planejamento obtidos se mostraram promissores frente ao estado da
arte do dom{\'{\i}}nio embarcado de sat{\'e}lites. Conclui-se
que o paradigma h{\'{\i}}brido proposto permite acrescentar
ganhos de desempenho computacionais usando as
informa{\c{c}}{\~o}es hier{\'a}rquicas do dom{\'{\i}}nio e,
ao mesmo tempo, ser mais responsivo a situa{\c{c}}{\~o}es
n{\~a}o previstas atrav{\'e}s da abordagem generativa,
mostrando-se uma solu{\c{c}}{\~a}o interessante principalmente
para aplica{\c{c}}{\~o}es de tempo real, como sat{\'e}lites.
ABSTRACT: Traditionally, space mission operations are based on
activities planned by the ground segment. Due to restricted
visibility windows and delays in communication between the
satellite and ground stations, some space systems cannot be
completely controlled in real-time. As a way to overcome this, the
operators resort to the scheduled execution of time-tagged
commands, predefined by the ground segment, for the operation in
periods out of communication, which can reach up to 90% of the
mission time. One way to improve the operation is to equip the
space flight software with an autonomous decision-making system
that implements automated mission planning techniques. In this
context, this thesis proposes a hybrid solution for onboard
planning based on a Hierarchical Task Network (HTN) and state
inference in order to increase the level of spacecraft autonomy. A
hybrid planning approach centered on the control rules for the
task reduction scheme is proposed, together with the generative
paradigm of action-based classical planning. Such a solution
implies the creation of a new form of knowledge representation
onboard the satellite, of a computationally lightweight planner
compatible with the constraints imposed by space-qualified
hardware, which has low processing capacity. A hybrid planner and
onboard model are proposed, implemented, and tested as elements of
a layered architecture based on hierarchical planning that allows
unifying planning and scheduling, maintaining the ability to
review plans. The solution was submitted to experimental scenarios
based on a realistic case study aimed at a Brazilian
remote-sensing mission. The modeling of the problem and the
experiments carried out in a representative space computational
environment could attest to the viability of the proposed
solution. The planning results obtained are promising given the
state-of-the-art in the satellite onboard domain. It is concluded
that the hybrid paradigm allows enhancing computational
performance gains using hierarchical information of the domain and
at the same time to be more responsive to unforeseen situations
achieved by the generative approach, showing itself to be an
advantageous solution mainly for real-time applications, such as
satellites.",
committee = "Santos, Walter Abrah{\~a}o dos (presidente) and Ferreira,
Maur{\'{\i}}cio Gon{\c{c}}alves Vieira (orientador) and
Kucinskis, Fabr{\'{\i}}cio de Novaes (orientador) and Arias,
Ronaldo and Silva, Rodrigo Rocha and Lobo, Jos{\'e} Eduardo
Morello",
englishtitle = "A hybrid onboard planning solution to increase satellite
operational autonomy based on hierarchical task network and state
inference",
language = "pt",
pages = "264",
ibi = "8JMKD3MGP3W34R/43G3L3B",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34R/43G3L3B",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "06 maio 2024"
}