Projekt ICARUS - KI

Abstract

Das ICARUS Experimentalsystem liefert als weltraumgestütztes IoT Kommunikationssystem auf der ISS seit März 2021 wissenschaftlich hochinteressante Daten über weltweite Tierbewegungen. Das ICARUS System soll durch den Einsatz von KI in zweierlei Hinsicht massiv verbessert werden:

Die Kommunikationswahrscheinlichkeit der miniaturisierten Tags hängt offenbar sehr stark von den jeweils vorherrschenden Umweltbedingungen ab, z.B. ob ein Tier sich vorwiegend im Unterholz, Schilf, Wald, Feld oder der Luft aufhält. Weiterhin beeinflußt das Wetter sowie das Tierverhalten den Energiehaushalt der Tags, die primär auf Solarenergie angewiesen sind. Wetter, Tierverhalten und Umweltbedingungen beeinflussen sich aber auch gegenseitig stark. Durch Einsatz von KI kann das optimale Einsatzprotokoll für die Tier-Tags aus der hochdimensionalen Kombination der oben genannten dynamischen Faktoren ermittelt werden. Hierzu sollen die in der Movebank gesammelten Daten der Tiere mit den Daten aus dem ICARUS User Data Center kontinuierlich verrechnet werden. KI-Algorithmen können dann die besten Kombinationen aus Energieverbrauch der Tags (v.a. durch GPS-Messungen) und Energieeintrag berechnen und Datenaufnahmemuster vorschlagen. Diese Muster werden unmittelbar auf den im Feldeinsatz befindlichen Tags eingestellt (durch Programmierung über die ISS an die Tags) und können so experimentell verifiziert werden. Die neu gewonnenen Daten fließen dann unmittelbar wieder in die KI-Berechnungen ein und optimieren die vorgeschlagenen Muster weiter. Der größte Energietreiber im ICARUS System ist die Eigenbestimmung des GPS-Ortes durch die Tier-Tags. Bisher ist GPSOrtung im ICARUS System notwendig, da die Tags zur Voraussage der Orbit-Zeiten der ISS ihren eigenen Standort am Boden genau kennen müssen. Zudem ist diese Standortbestimmung biologisch-wissenschaftlich von hoher Wichtigkeit, auch um das Habitat der Tiere zu kennen (siehe Punkt a). Durch Einsatz von KI kann die energieaufwendige GPS-Ortung durch energieeffiziente Doppler-Ortung ersetzt werden. Dies hat den fundamentalen Vorteil, dass dann die ICARUS Tags der nächsten Generation massiv verkleinert werden können, sowohl im derzeitigen ICARUS-Experimentalsystem als auch hinsichtlich zukünftiger, zusätzlicher Payloads.

As a space-based IoT communication system on the ISS, the ICARUS experimental system has been providing highly interesting scientific data on global animal movements since March 2021. The ICARUS system is to be massively improved in two respects through the use of AI:

The communication probability of the miniaturized tags apparently depends very much on the prevailing environmental conditions, e.g. whether an animal is predominantly in the undergrowth, reeds, forest, field or air. Furthermore, the weather and animal behavior influence the energy balance of the tags, which are primarily dependent on solar energy. Weather, animal behavior and environmental conditions also strongly influence each other. By using AI, the optimal deployment protocol for the animal tags can be determined from the high-dimensional combination of the dynamic factors mentioned above. For this purpose, the animal data collected in the Movebank will be continuously offset against the data from the ICARUS User Data Center. AI algorithms can then calculate the best combinations of energy consumption of the tags (mainly through GPS measurements) and energy input and suggest data recording patterns. These patterns are set directly on the tags in the field (by programming via the ISS to the tags) and can thus be verified experimentally. The newly acquired data then flows directly back into the AI calculations and further optimizes the suggested patterns. The biggest energy driver in the ICARUS system is the self-determination of the GPS location by the animal tags. Until now, GPS positioning has been necessary in the ICARUS system because the tags need to know their own exact location on the ground in order to predict the orbit times of the ISS. In addition, this location determination is of great biological and scientific importance, also in order to know the habitat of the animals (see point a). By using AI, energy-intensive GPS positioning can be replaced by energy-efficient Doppler positioning. This has the fundamental advantage that the ICARUS tags of the next generation can then be massively reduced in size, both in the current ICARUS experimental system and with regard to future, additional pay loads.