Vedligeholdelse af store satellitkonstellationer ved hjælp af logistiktilgang

I dag, store kommunikationssatellitkonstellationer, også kendt som megakonstellationer, blevet mere og mere populære. OneWeb lancerede den første batch af satellitter i en indledende 650-satellitkonstellation i februar 2019, og SpaceX lancerede også det første parti af sine 12, 000-satellitkonstellation i maj 2019. Den 8. juli Amazon indgav også en ansøgning til FCC for sin planlagte satellitkonstellation med 3, 236 satellitter. Disse satellitkonstellationer forventes at være en game changer ved at realisere den verdensomspændende satellit-internettjeneste.

Imidlertid, den hidtil usete store skala af disse megakonstellationer bringer også adskillige udfordringer, hvoraf nogle er skjulte og ikke godt udforskede. Forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign identificerede en kritisk skjult udfordring om at erstatte de ødelagte satellitter i megakonstellationer og foreslog en unik løsning med lagerstyringsmetoder.

"At vedligeholde disse store megakonstellationer effektivt er langt mere komplekst end de traditionelle rumsystemer. Faktisk, det er blevet mere og mere som et jordlogistikproblem, som FedEx eller UPS har arbejdet på. Så vi tacklede dette megakonstellationsvedligeholdelsesproblem ved at udnytte ideen fra jordlogistik, hvilket viser sig at være ikke kun unikt og interessant, men også meget velegnet i denne sammenhæng," sagde Koki Ho, adjunkt ved Institut for Luftfartsteknik ved U of I.

Udfordringen Ho beskrev er effektivt at udskifte en ny satellit med en, der går i stykker. For teleselskaber, ødelagte satellitter betyder afbrudt kommunikation og internettjeneste, hvilket fører til utilfredse kunder og tab af omsætning.

"Indsættelse af en storstilet konstellation er et problem, men at vedligeholde det er et andet muligvis mere udfordrende problem, " sagde Ho. "Når satellitterne går i stykker, Det er vigtigt at levere en reserve hurtigt, så der er lidt hul i servicen. Virksomheder har brug for kontinuerlig service for at levere global dækning. For at opnå det, vi skal have tilstrækkelige reservedele i kredsløb. Spørgsmålet er:hvor mange ville være tilstrækkeligt. Kan vi komme i tanke om en smartere måde at bruge så få satellitter som muligt for at opfylde gap-kravet?"

I tidligere satellitkonstellationer, Ho sagde, at dette ikke var et problem, fordi skalaen var lille nok, sofistikerede metoder til at beregne det nødvendige antal reservedele var ikke nødvendige; bare at have et par reservedele pr. orbitalplan var nok. Men med en konstellation bestående af hundredvis af satellitter, strategien virker ikke. Også, ny, små satellitter er billigere, men har en relativt højere fejlrate, så der er brug for mange flere reservedele i hvert orbitalplan, og det er ineffektivt.

"Vores idé er at bruge noget, der kaldes en multi-echelon lagerstyringsmetode i jordlogistikken og anvende den til orbitalmekanikerens kontekst, " sagde Ho. "I vores løsning, en anden bane, der er lavere end den faktiske bane, som vi kalder parkeringsbanen; bliver et mellemlager for satellitterne. Et lille antal ekstra satellitter er i det faktiske kredsløbsplan til øjeblikkelig udskiftning, mens en større beholdning af erstatningssatellitter venter i parkeringsbanen. Dem i orbitalplanet dækker et øjeblikkeligt behov, reservedelene i parkeringsbanen kan genopbygge den faktiske bane."

Forskningen udnytter også J2-effekten af ​​orbitalplanet, som er forårsaget af Jordens skråstilling, at levere reservedele. Jorden er ikke en perfekt sfære, Ho forklarede, og fordi det ikke er en perfekt sfære, orbitalplanet vil forskydes.

"Denne baneskiftehastighed er forskellig afhængig af højden, " sagde Ho. "Så når vi har en parkeringsbane, der er i en lavere højde end den oprindelige konstellationsbane, deres orbitale skifthastigheder er forskellige. Den matematiske model, vi skabte, tager højde for det hastighedsskift, og hvilket fly der er tættere på satellitten, der skal udskiftes, så du vil have kontinuerlig dækning af Jorden. Metoden ser på, hvilket orbitalplan, der er det første, der vil matche det fly, der har en efterspørgsel, og overvejer også, om det fly faktisk har reservedele i sig. Hvis det fly ikke har reservedele, så venter vi til det næste fly, " sagde Ho.

Ho sagde, at denne metode også fjerner det dyre hastende behov for at opsende en erstatningssatellit.

"Med denne lagerstrategi, når der er en fejlbehæftet satellit, der er allerede en lagerbeholdning tilgængelig til at erstatte den. Når aktien kommer under en tærskel, du kan starte mere til parkeringsbanen. Dette udnytter batch-lanceringseffekten. Det er billigere at sende en raket op med en masse satellitter end at opsende hver af dem separat."

Ho mener, at denne nye leveringsmetode løser et rettidigt problem.

"Folk taler meget om disse megakonstellationer, men de har ikke tænkt dybt nok over nogle af de nye udfordringer, de bringer, " sagde Ho. "Brug af en unik lagertilgang gav en effektiv løsning til at løse dette komplekse problem."

Papiret, "Optimal satellitkonstellationsreservestrategi ved hjælp af multi-Echelon inventarkontrol, " er skrevet af Pauline Jakob og Koki Ho fra U of I og Seiichi Shimizu, Shoji Yoshikawa fra Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki, Japan. Det fremgår af Journal of Spacecraft and Rockets .