Satellitkonstellationer høster energi til næsten total global dækning

Tænk på det som et himmelsk salonspil:Hvad er det mindste antal satellitter, der er nødvendigt for at se hvert punkt på Jorden? Og hvordan kan disse satellitter forblive i kredsløb og opretholde kontinuerlig dækning 24/7, mens de kæmper med Jordens tyngdefelt, dens klumpede masse, solens og månens træk, og tryk fra solstråling?

I midten af ​​1980'erne, Forsker John E. Draim foreslog, hvad der generelt anses for at være den ideelle løsning:en konstellation med fire satellitter. Imidlertid, mængden af ​​drivmiddel, der skal til for at holde satellitterne på plads, og de deraf følgende omkostninger, gjorde konfigurationen umulig.

Nu, et National Science Foundation-sponsoreret samarbejde ledet af Patrick Reed, Joseph C. Ford professor i ingeniørvidenskab ved Cornell University, har opdaget den rigtige kombination af faktorer for at gøre en fire-satellit konstellation mulig, som kunne drive fremskridt inden for telekommunikation, navigation og fjernmåling. Og i et genialt twist, det opnåede forskerne ved at få de kræfter, der normalt nedbryder satellitter, i stedet til at virke til deres fordel.

"Et af de interessante spørgsmål, vi havde, var, kan vi faktisk transformere disse kræfter? I stedet for at forringe systemet, kan vi faktisk vende det sådan, at konstellationen høster energi fra disse kræfter og bruger dem til aktivt at kontrollere sig selv?" sagde Reed.

Deres papir, "Lavprissatellitkonstellationer til næsten kontinuerlig global dækning, " udgivet 10. januar i Naturkommunikation .

De AI-baserede evolutionære computersøgeværktøjer, som Reed har udviklet, er ideelle til at navigere i de mange komplikationer ved satellitplacering og -styring.

Til dette projekt, Reed samarbejdede med forskere fra The Aerospace Corporation, kombinerer hans algoritmiske knowhow med virksomhedens ekspertise inden for banebrydende astrofysik, operationel logistik og simuleringer.

For at gennemskue de hundredtusindvis af mulige baner og kombinationer af forstyrrelser, holdet brugte Blue Waters supercomputer ved University of Illinois, Urbana-Champaign. Blue Waters komprimerede 300 eller 400 års beregningsmæssig udforskning til hvad der svarer til cirka en måneds faktisk databehandling, sagde Reed.

De vandt deres konstellationsdesign til to modeller, der kunne kredse i enten en 24- eller 48-timers periode og opnå kontinuerlig dækning over 86% og 95% af kloden, henholdsvis. Mens 100 % ydeevnedækning ville være ideel i teorien, forskerne fandt ud af, at det at ofre kun 5%-14% skabte større gevinster med hensyn til at høste energi fra de samme gravitations- og solstrålingskræfter, som normalt ville gøre en satellitkonstellation kortvarig og svær at kontrollere.

Afvejningen er det værd, Reed sagde, især da satellitoperatører kunne kontrollere, hvor hullerne i dækningen ville opstå. Afbrydelser i disse lavprioriterede regioner vil vare cirka 80 minutter om dagen, højst, i værste fald.

"Dette er en af ​​de ting, hvor jagten på perfektion faktisk kunne bremse innovationen, " sagde Reed. "Og du giver ikke rigtig op et dramatisk beløb. Der kan være missioner, hvor du absolut har brug for dækning overalt på Jorden, og i de tilfælde, du skulle bare bruge flere satellitter eller netværkssensorer eller hybride platforme."

Brug af denne type passiv kontrol kan potentielt forlænge en konstellations levetid fra fem år til 15 år. Disse satellitter ville kræve mindre drivmiddel og ville flyde i højere højder, at fjerne dem fra den risikable højtrafikzone med lav kredsløb om Jorden. Men måske det største salgsargument er de lave omkostninger. Kommercielle interesser eller lande uden de finansielle ressourcer til at opsende en stor konstellation af satellitter kunne opnå næsten kontinuerlig global dækning meget økonomisk, med reducerede langsigtede tekniske omkostninger.

"Selv en satellit kan koste hundredvis af millioner eller milliarder af dollars, afhængig af hvilke sensorer der er på den, og hvad dens formål er. Så det er ret pænt at have en ny platform, som du kan bruge på tværs af eksisterende og nye missioner, " sagde Reed. "Der er et stort potentiale for fjernmåling, telekommunikation, navigation, registrering af høj båndbredde og feedback rundt i rummet, og det udvikler sig meget, meget hurtigt. Der er sandsynligvis alle mulige applikationer, der kan drage fordel af en langvarig, selvtilpassende satellitkonstellation med næsten global dækning."

Avisens hovedforfatter er Lake Singh med The Aerospace Corporation. Forskere fra University of California, Davis, også bidraget.

"Vi udnyttede Aerospaces konstellationsdesignekspertise med Cornells lederskab inden for intelligent søgeanalyse og opdagede et operationelt muligt alternativ til Draim-konstellationsdesignet, " sagde Singh, systemdirektør for The Aerospace Corporations Future Architectures-afdeling. "Disse konstellationsdesign kan give væsentlige fordele for missionsplanlæggere for koncepter ude ved geostationære baner og videre."