Optimization techniques in science planning for planetary exploration missions
Authors:   , Betriu Roure Paula 
Published: December 2024

(English) Solar System robotic missions explore objects in space to elicit key information that contributes to our understanding of the origins and evolution of the Solar System as well as of life. Noticeably, such an ambitious purpose demands an equally challenging endeavor from the scientific and engineering perspectives—an effort that compels to procure high scientific revenues. In this context, science planning plays a key part to guarantee that the mission obtains as large an information harvest as possible to ultimately fulfill a set of scientific objectives. This list of mission objectives can be very extensive and diverse; from the search for life to the identification of planetary resources or the geomorphological analysis, many disciplines come together in this quest. To meet these objectives, spacecraft are equipped with a varied suite of instruments capable of conducting a wide range of experiments. Thorough planning is required to conciliate the instruments' operations while concurrently guaranteeing the spacecraft performance and safety, ensuring a good management of the available resources, as well as the feasibility to forward this information to Earth. These requirements and constraints often result in trade-offs among spacecraft subsystems, including the payload. All in all, the activity plan of a mission constitutes a complex problem that needs to account for a wide spectrum of agents in order to draw a suitable mission program that effectively fulfills the scientific objectives.

Within this context, observation and mission planning software tools have played an important role in space missions—and their relevance is only expected to grow in the near future. From designing the instrumental observational activities to overall management of spacecraft resources and activity scheduling, various software tools have greatly assisted in the planning process of missions like Cassini, Dawn or Rosetta. Drawing upon these, this work presents the development and validation of a software prototype designed to streamline science planning processes for planetary exploration missions. Our study focuses on devising an optimized activity plan for a camera instrument, aiming to maximize its scientific return while ensuring efficient mission operations.

This software prototype tool, named Observation Planning Tool for Instrument and Mission Analysis (OPTIMA), consists of two consecutive stages. The first one utilizes spacecraft trajectory and, possibly, attitude data to identify feasible observational opportunities based on geometric constraints derived from instrument measurement requirements. These opportunities, defined as science opportunity windows, are used to constrain the exploration space in the subsequent stage. The second phase applies optimization heuristics to develop potential activity plans that maximize scientific returns while adhering to both geometric and operational constraints. The tool's modularity allows for the application of various optimization heuristics tailored to the specific problem. Additionally, OPTIMA includes a component for simulating the camera's observation through mosaic heuristics that aim to achieve maximum coverage of Regions of Interest (ROIs) with minimal make-span.

Finally, the methodology's efficacy is demonstrated through hypothetical case studies set in realistic mission scenarios, including a validation case study on Galileo's flybys over Europa and two others during different phases of the JUICE mission. These cases focus on optimizing coverage and/or resolution across various ROIs, considering additional adjustments such as downlink windows allocation and data compression. The algorithm successfully identifies nearly-optimal activity plans that comply with the specified constraints in all cases, showcasing the tool's efficiency and adaptability across different mission scenarios. This makes OPTIMA a valuable asset for multi-mission science planning in planetary exploration.

(Català) Les missions d'exploració del Sistema Solar investiguen objectes a l'espai per obtenir informació clau que contribueixi a la nostra comprensió dels orígens i l'evolució del Sistema Solar, així com de la vida. Un objectiu tan ambiciós requereix una feina igualment exigent des del punt de vista científic i tècnic — un esforç que obliga a obtenir grans beneficis científics. En aquest context, la planificació científica juga un paper clau per garantir que la missió obtingui la major quantitat d'informació possible per complir, en última instància, una sèrie d'objectius científics. Aquesta llista d'objectius de la missió pot ser molt extensa i diversa; des de la cerca de vida fins a la identificació de recursos planetaris o l'anàlisi geomorfològica, moltes disciplines convergeixen en aquesta recerca. Per complir aquests objectius, les naus espacials estan equipades amb un variat conjunt d'instruments capaços de realitzar una àmplia gamma d'experiments. Es requereix una planificació exhaustiva per conciliar les operacions dels instruments alhora que es garanteix el rendiment i la seguretat de la nau espacial, així com la viabilitat de transmetre aquesta informació a les estacions de Terra. Aquests requisits i limitacions sovint donen lloc a compromisos entre els subsistemes de la nau espacial, inclosa la càrrega útil. En definitiva, el disseny del pla d'activitats d'una missió per traçar un programa que compleixi eficaçment amb els objectius científics constitueix un problema complex que ha de tenir en compte un ampli espectre d'agents.

En aquest context, les eines de software d'observació i planificació de missions han jugat un paper important en les missions espacials — i s'espera que la seva rellevància augmenti en un futur proper. Des del disseny de les observacions instrumentals fins a la gestió global dels recursos de la nau espacial i la programació d'activitats, diverses eines de programari han ajudat enormement en el procés de planificació de missions com Cassini, Dawn o Rosetta. Basant-se en elles, aquest treball presenta el desenvolupament i validació d'un prototip de software dissenyat per agilitzar els processos de planificació científica de les missions d'exploració planetària. El nostre estudi se centra en el disseny d'un pla d'activitats optimitzat per a una càmera òptica, amb l'objectiu de maximitzar el seu rendiment científic alhora que es garanteix l'eficiència de les operacions de la nau.

Aquest prototip de software, anomenat Observation Planning Tool for Instrument and Mission Analysis (OPTIMA), consta de dues etapes consecutives. La primera utilitza la trajectòria de la nau espacial per identificar oportunitats d'observació viables basades en restriccions geomètriques derivades dels requisits de mesura dels instruments. Aquestes oportunitats s'utilitzen per restringir l'espai d'exploració a l'etapa següent. En la segona fase s'utilitzen heurístiques d'optimització per desenvolupar plans d'activitat possibles que maximitzin el rendiment científic respectant les restriccions geomètriques i operatives. La modularitat de l'eina permet aplicar diverses heurístiques d'optimització adaptades al problema específic. A més, OPTIMA inclou un component per simular l'observació de les càmeres mitjançant una heurística de mosaic que té com a objectiu assolir la màxima cobertura de les regions d'interès (ROI) en el menor temps possible.

Finalment, es demostra l'eficàcia de la metodologia mitjançant casos hipotètics establerts en escenaris realistes. L'algoritme identifica amb èxit plans d'activitat gairebé òptims que compleixen amb les restriccions especificades en tots els casos, demostrant l'eficàcia i adaptabilitat de l'eina en diferents escenaris de missió. En conclusió, OPTIMA mostra un gran potencial per a la planificació científica de missions d'exploració planetària.

(Español) Las misiones de exploración del Sistema Solar investigan objetos en el espacio para obtener información clave que contribuya a nuestra comprensión de los orígenes y la evolución del Sistema Solar, así como de la vida. Un objetivo tan ambicioso requiere un trabajo igual de exigente desde el punto de vista científico y técnico—un esfuerzo que compele a obtener grandes beneficios científicos. En este contexto, la planificación científica desempeña un papel clave para garantizar que la misión obtenga la mayor cantidad de información posible para cumplir, en última instancia, una serie de objetivos científicos. Esta lista de objetivos de la misión puede ser muy extensa y diversa; desde la búsqueda de vida hasta la identificación de recursos planetarios o el análisis geomorfológico, muchas disciplinas confluyen en esta búsqueda. Para cumplir estos objetivos, las naves espaciales están equipadas con un variado conjunto de instrumentos capaces de realizar una amplia gama de experimentos. Se requiere una planificación exhaustiva para conciliar las operaciones de los instrumentos al tiempo que se garantiza el rendimiento y la seguridad de la nave espacial, así como la viabilidad de transmitir esta información a las estaciones en Tierra. Estos requisitos y limitaciones a menudo dan lugar a compromisos entre los subsistemas de la nave espacial, incluida la carga útil. En definitiva, el diseño del plan de actividades de una misión para trazar un programa que cumpla eficazmente con los objetivos científicos constituye un problema complejo que debe tener en cuenta un amplio espectro de agentes.

En este contexto, las herramientas de software de observación y planificación de misiones han desempeñado un papel importante en las misiones espaciales—y se espera que su relevancia aumente en un futuro próximo. Desde el diseño de las observaciones instrumentales hasta la gestión global de los recursos de la nave espacial y la programación de actividades, diversas herramientas de software han ayudado enormemente en el proceso de planificación de misiones como Cassini, Dawn o Rosetta. Basándose en ellas, este trabajo presenta el desarrollo y validación de un prototipo de software diseñado para agilizar los procesos de planificación científica de las misiones de exploración planetaria. Nuestro estudio se centra en el diseño de un plan de actividades optimizado para una cámara óptica, con el objetivo de maximizar su rendimiento científico al tiempo que se garantiza la eficiencia de las operaciones de la nave.

Este prototipo de software, denominado Observation Planning Tool for Instrument and Mission Analysis (OPTIMA), consta de dos etapas consecutivas. La primera utiliza la trayectoria de la nave espacial para identificar oportunidades de observación viables basadas en restricciones geométricas derivadas de los requisitos de medición de los instrumentos. Estas oportunidades se utilizan para restringir el espacio de exploración en la etapa siguiente. En la segunda fase se utilizan heurísticas de optimización para desarrollar posibles planes de actividad que maximicen el rendimiento científico respetando las restricciones geométricas y operativas. La modularidad de la herramienta permite aplicar diversas heurísticas de optimización adaptadas al problema específico. Además, OPTIMA incluye un componente para simular la observación de las cámaras mediante una heurística de mosaico que tiene como objetivo lograr la máxima cobertura de las regiones de interés (ROI) en el menor tiempo posible.

Por último, se demuestra la eficacia de la metodología mediante casos hipotéticos establecidos en escenarios realistas. El algoritmo identifica con éxito planes de actividad casi óptimos que cumplen con las restricciones especificadas en todos los casos, lo que demuestra la eficacia y adaptabilidad de la herramienta en diferentes escenarios de misión. En conclusión, OPTIMA muestra un gran potencial para la planificación científica de misiones de exploración planetaria.