Satelliten mit Köpfchen: Würzburger bringen lernfähige KI in den Orbit

Es ist ein wachsendes Problem für die Erdbeobachtung aus dem All: Satelliten nehmen riesige Mengen an Bilddaten auf, doch bevor diese analysiert werden können, müssen sie erst aufwendig zurück an die Erde übertragen werden. Das kostet Zeit und beansprucht ohnehin stark begrenzte Funkverbindungen – besonders dann, wenn schnelle Ergebnisse benötigt werden, zum Beispiel bei der Früherkennung von Waldbränden.

Ein Würzburger Informatikteam will nun Abhilfe schaffen: Im Projekt „NOVA – FPGA-basierte resiliente Erdbeobachtung und Aufklärung“ arbeiten Forschende der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) an einem KI-System, das Satellitenbilder künftig direkt im All analysieren kann. Statt sämtliche Aufnahmen erst an eine Bodenstation senden zu müssen, soll der Satellit relevante Bildinformationen bereits im Orbit auswerten können und gezielt weiterleiten.

„Unser Ziel ist es, Satelliten künftig flexibler und effizienter einsetzbar zu machen“, erklärt Professor Marco Schmidt vom Lehrstuhl für Eingebettete Systeme und Sensoren für Erdbeobachtung, der das Projekt leitet. „So können wir wichtige Ereignisse schneller erkennen und die Funkverbindungen zur Erde effektiver nutzen.“

Nur wichtige Daten sollen zur Erde

Und so funktioniert‘s: Das neue System verbindet eine Satellitenkamera mit künstlicher Intelligenz zur Bildanalyse. Die Software bewertet die Aufnahmen direkt im Weltraum und entscheidet, welche davon relevant sind. Zur Erde könnten dann beispielsweise die Koordinaten eines erkannten Waldbrands, die Position eines gesuchten Schiffes oder einzelne besonders wichtige Bilder übertragen werden.

Ein Schwerpunkt des Projekts liegt auf der Anpassungsfähigkeit der Technik im Orbit. Die verwendeten KI-Modelle und die Verarbeitung der Bilder sollen sich je nach Einsatzszenario verändern und optimieren lassen, noch während sich der Satellit im All befindet. So könnte die Technik etwa für die Erdbeobachtung, Umweltmonitoring, Katastrophenschutz oder wissenschaftliche Untersuchungen eingesetzt werden.

Ein Rechner für wechselnde Aufgaben

Dafür entwickelt das Münchner Raumfahrtunternehmen Engineering Minds Munich einen Rechner, der die Kamera steuert und deren Bilder verarbeitet. In der Raumfahrt wird ein solcher, eigens für die Instrumente eines Satelliten vorgesehener Rechner als „Nutzlastcomputer“ bezeichnet. Er ist mit der Kamera und der übrigen Technik des Satelliten verbunden.

Die technische Grundlage dafür bildet ein spezieller Computerchip, dessen innere Schaltungen sich neu programmieren lassen. Dieser sogenannte FPGA eignet sich besonders für schnelle und energiesparende KI-Berechnungen. FPGA steht für „Field-Programmable Gate Array“, auf Deutsch: im Einsatz programmierbare Logikschaltung. Dadurch kann der Rechner im Orbit beispielsweise auf die Erkennung von Waldbränden, Schiffen oder anderen Objekten eingestellt werden.

„Dass wir den für die KI-Bildanalyse zuständigen Teil des Rechners im Orbit neu konfigurieren können, ist bislang nicht üblich“, erklärt Moritz Heimbach, Doktorand am Lehrstuhl von Professor Schmidt. „Damit haben wir die Chance, Satelliten während ihrer Mission an neue Aufgaben anzupassen und die Erdbeobachtung flexibler zu machen.“

Das Vorhaben „NOVA – FPGA-basierte resiliente Erdbeobachtung und Aufklärung“ wird vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestags finanziert. Das Förderkennzeichen lautet 50RY2605A.

Kontakt

Prof. Dr. Marco Schmidt, Leiter des Lehrstuhls für Eingebettete Systeme und Sensoren für die Erdbeobachtung, Tel. +49 931 31-87229, marco.schmidt@uni-wuerzburg.de