NASA використовує штучний інтелект для прогнозування космічної погоди

Влітку 2024 року жителі Північної Америки спостерігали незвичайне явище — полярне сяйво освітлювало нічне небо над їхніми містами. Однак та сама сонячна активність, що створює ці вражаючі світлові шоу, може спричинити серйозні збої в роботі супутників, від яких залежать критично важливі системи на Землі. Рішення для прогнозування таких сонячних подій та попередження операторів супутників може прийти через штучний інтелект.

Лабораторія розвитку передових технологій з Маунтін-В'ю, Каліфорнія, є постійним партнерством між NASA та комерційними компаніями у сфері штучного інтелекту для застосування передових методів машинного навчання до проблем, важливих для агентства та інших галузей. З 2016 року ця лабораторія застосовує штучний інтелект від імені NASA у планетарній обороні, геліофізиці, науках про Землю, медицині та дослідженні Місяця.

Через співпрацю з компанією KX Systems лабораторія розвитку передових технологій намагалася використати перевірене програмне забезпечення в інноваційний спосіб. Флагманське програмне забезпечення компанії для аналізу даних під назвою kdb+ зазвичай використовується у фінансовій індустрії для відстеження швидких змін у ринкових тенденціях, але компанія досліджувала можливості його використання в космосі.

Між 2017 та 2019 роками KX Systems брала участь у партнерстві лабораторії розвитку передових технологій через Дослідницький центр Еймса NASA в Силіконовій долині, Каліфорнія. Працюючи з науковцями NASA, KX застосувала можливості kdb+ для пошуку екзопланет та прогнозування космічної погоди — областей, які можна покращити за допомогою моделей штучного інтелекту. Одне з питань, на яке намагалася відповісти лабораторія розвитку передових технологій, полягало в тому, чи може kdb+ прогнозувати тип космічної погоди, що створює полярне сяйво, щоб передбачити, коли GPS-супутники можуть зазнати переривання сигналу через Сонце.

Імпортувавши кілька наборів даних для моніторингу іоносфери, сонячної активності та магнітного поля Землі, а потім застосувавши до них алгоритми машинного навчання, дослідники лабораторії розвитку передових технологій змогли передбачити руйнівні події за 24 години наперед.

Хоча це було науковим застосуванням штучного інтелекту, KX Systems стверджує, що частина цієї розробницької роботи повернулася до її комерційних пропозицій, оскільки існують подібності між моделями штучного інтелекту, розробленими для пошуку закономірностей у втратах супутникових сигналів, та тими, що передбачають потреби в обслуговуванні промислового виробничого обладнання.

Підрозділ FD Technologies plc, KX Systems є технологічною компанією, що пропонує програмне забезпечення для управління базами даних та аналітики для клієнтів, які потребують швидкого прийняття рішень. Хоча KX почала працювати в 1993 році, її бізнес, керований штучним інтелектом, значно виріс, і компанія приписує роботі, виконаній з NASA, прискорення деяких своїх можливостей.

Космічна погода являє собою складне явище, що виникає внаслідок взаємодії сонячного вітру з магнітосферою Землі. Коли Сонце випускає потужні спалахи або корональні викиди маси, ці частинки високої енергії можуть досягти Землі та спричинити геомагнітні бурі. Такі бурі можуть не лише створювати красиве полярне сяйво, але й серйозно впливати на технологічну інфраструктуру.

Супутники, що обертаються навколо Землі, особливо вразливі до космічної погоди. Геомагнітні бурі можуть спричинити збої в електронних системах супутників, порушити їхні орбіти через збільшення опору атмосфери та навіть призвести до повної втрати зв'язку. GPS-супутники, від яких залежить навігація літаків, кораблів та наземного транспорту, можуть зазнавати значних перешкод у передачі сигналів.

Традиційні методи прогнозування космічної погоди базувалися на спостереженнях сонячної активності та математичних моделях, але вони часто не забезпечували достатньо часу для попередження. Використання штучного інтелекту дозволяє аналізувати величезні обсяги даних з різних джерел одночасно та виявляти складні закономірності, які можуть бути непомітними для традиційних методів аналізу.

Програмне забезпечення kdb+ виявилося особливо корисним для цього завдання завдяки своїй здатності обробляти великі обсяги даних у реальному часі. У фінансовій індустрії це програмне забезпечення використовується для аналізу мільйонів транзакцій за секунду, виявлення тенденцій та прогнозування ринкових рухів. Ці самі принципи виявилися застосовними для аналізу космічних даних.

Дослідники використовували дані з різних джерел, включаючи наземні магнітометри, які вимірюють зміни в магнітному полі Землі, супутники, що моніторять сонячну активність, та станції спостереження іоносфери. Об'єднавши ці різноманітні потоки даних та застосувавши алгоритми машинного навчання, система змогла виявити ранні ознаки наближення геомагнітних бур.

Успіх цього проекту демонструє потенціал міждисциплінарного підходу до наукових проблем. Технології, розроблені для однієї галузі, можуть знайти неочікуване застосування в зовсім іншій сфері. У цьому випадку фінансові технології допомогли вирішити проблему космічної науки.

Від захисту цінних супутників до підтримання максимальної продуктивності виробничих ліній, поєднання експертизи NASA з комерційною винахідливістю є формулою успіху. Цей проект також показує, як державні дослідження можуть стимулювати інновації в приватному секторі, створюючи взаємовигідні партнерства, що приносять користь як науці, так і бізнесу.