통신 제약 조건 하에서의 반분산 다중 우주선 충돌 회피

Semi-Decentralized Multi-Spacecraft Collision Avoidance under Communication Constraints

현재의 우주선 충돌 회피 운영은 불규칙적인 지상국과의 통신에 의존하며, 이는 운용자가 지연되고 비동기적으로 업데이트되는 정보로 계획을 수립해야 함을 의미합니다. 결과적으로, 운용자 간의 제한된 정보 공유만으로 기동 계획이 수립되어야 하며, 이는 중앙 집중식 계획과 동등한 충돌 회피 성능을 달성하기 위해 얼마나 많은 조정이 필요한지에 대한 질문을 제기합니다. 부분 관측 마르코프 의사 결정 프로세스(POMDP)와 같은 의사 결정 이론적 접근 방식은 충돌 회피의 순차적이고 불확실한 특성을 반영하지만, 기존의 다중 에이전트 확장 방법은 일반적으로 지속적인 정보 공유 또는 실제 지상국 제약을 반영하지 못하는 통신 모델을 가정합니다. 우리는 이러한 간헐적인 정보 가용성을 명시적으로 모델링하기 위해, 우주선-우주선 충돌 회피 문제를 반분산 POMDP(SDec-POMDP)로 공식화했습니다. 여기서 정보 전파는 현실적인 지상국 관측 가능 시간대를 통해 직접 제어됩니다. 근사 Recursive Small-Step Semi-Decentralized A* (RS-SDA*) 알고리즘을 사용하여 공동 기동 정책을 계산하며, 이는 분산 다중 에이전트 계획을 위한 최첨단 A*-기반 방법론을 따릅니다. 대표적인 충돌 가능 시나리오에서, 반분산 계획은 중앙 집중식 수준의 기동 품질을 유지하면서 지속적인 조정보다 28.5% 적은 동기화 이벤트만을 필요로 합니다. 또한, 대표적인 규칙 기반 운용자의 휴리스틱 방법과 비교한 결과, 통신 제약을 고려한 계획이 원하는 작동 거리 범위를 보다 일관되게 달성하고 불필요한 궤도 편차를 최소화하는 것으로 나타났습니다. 이러한 결과를 종합적으로 고려할 때, 본 연구는 현실적인 간헐적 통신 환경에서 자율적인 충돌 회피를 위한 실용적인 계획 프레임워크를 제시하며, 이상적인 중앙 집중식 조정과 완전 분산 계획 실행 사이의 격차를 해소합니다.

Current spacecraft collision-avoidance operations rely on intermittent ground-station contacts, requiring operators to plan with delayed and asynchronously updated information. Consequently, maneuvers must be planned with only intermittent information sharing between operators, raising the question of how much coordination is needed to achieve collision-avoidance performance comparable to centralized planning. Although decision-theoretic approaches such as partially observable Markov decision processes (POMDPs) capture the sequential and uncertain nature of collision avoidance, existing multiagent extensions typically assume either continuous information sharing or communication models that do not reflect operational ground-station constraints. To explicitly model this intermittent information availability, we formulate the spacecraft-to-spacecraft collision avoidance problem as a semi-decentralized POMDP (SDec-POMDP), where we govern information propagation directly by realistic ground-station visibility windows. Joint maneuver policies are computed using approximate Recursive Small-Step Semi-Decentralized A* (RS-SDA*), following the state-of-the-art A*-based lineage for decentralized multiagent planning. Across a representative suite of conjunction scenarios, semi-decentralized planning recovers near-centralized maneuver quality while requiring 28.5% fewer synchronization events than continuous coordination. Comparisons with representative rule-based operator heuristics further show that communication-aware planning more consistently achieves the desired operational miss-distance band while minimizing unnecessary trajectory deviation. Together, these results establish a practical planning framework for autonomous collision avoidance under realistic intermittent communication, bridging the gap between idealized centralized coordination and fully decentralized planning execution.