Zie het als een hemels gezelschapsspel:wat is het minimum aantal satellieten dat nodig is om elk punt op aarde te zien? En hoe kunnen die satellieten in een baan om de aarde blijven en continu 24/7 dekking behouden terwijl ze strijden met het zwaartekrachtveld van de aarde, zijn klonterige massa, de aantrekkingskracht van de zon en de maan, en druk van zonnestraling?

Halverwege de jaren tachtig, onderzoeker John E. Draim stelde voor wat algemeen als de ideale oplossing wordt beschouwd:een constellatie met vier satellieten. Echter, de hoeveelheid drijfgas die nodig is om de satellieten op hun plaats te houden, en de daaruit voortvloeiende kosten, maakte de configuratie onuitvoerbaar.

Nutsvoorzieningen, een door de National Science Foundation gesponsorde samenwerking onder leiding van Patrick Reed, de Joseph C. Ford Professor of Engineering aan de Cornell University, heeft de juiste combinatie van factoren ontdekt om een ​​sterrenbeeld met vier satellieten mogelijk te maken, die de vooruitgang in de telecommunicatie zouden kunnen stimuleren, navigatie en teledetectie. En in een ingenieuze draai, de onderzoekers bereikten dit door de krachten die normaal satellieten degraderen in plaats daarvan in hun voordeel te laten werken.

"Een van de interessante vragen die we hadden was:kunnen we die krachten daadwerkelijk transformeren? In plaats van het systeem te degraderen, kunnen we het zo omdraaien dat het sterrenbeeld energie van die krachten oogst en ze gebruikt om zichzelf actief te beheersen?" zei Reed.

hun papier, "Lage kosten satellietconstellaties voor bijna continue wereldwijde dekking, " gepubliceerd op 10 januari in Natuurcommunicatie .

De op AI gebaseerde zoekhulpmiddelen voor evolutionair computergebruik die Reed heeft ontwikkeld, zijn bij uitstek geschikt voor het navigeren door de talrijke complicaties van het plaatsen en beheren van satellieten.

Voor dit project, Reed werkte samen met onderzoekers van The Aerospace Corporation, zijn algoritmische knowhow combineren met de expertise van het bedrijf op het gebied van geavanceerde astrofysica, operationele logistiek en simulaties.

Om de honderdduizenden mogelijke banen en combinaties van verstoringen te doorzoeken, het team gebruikte de Blue Waters-supercomputer aan de Universiteit van Illinois, Urbana-Champagne. Blue Waters comprimeerde 300 of 400 jaar aan computationele verkenning tot het equivalent van ongeveer een maand daadwerkelijk computergebruik, zei Riet.

Ze maakten hun constellatie-ontwerpen tot twee modellen die in een baan om de aarde konden draaien voor een periode van 24 of 48 uur en een continue dekking bereikten over 86% en 95% van de wereld, respectievelijk. Hoewel 100% prestatiedekking in theorie ideaal zou zijn, de onderzoekers ontdekten dat het opofferen van slechts 5% -14% meer winst opleverde in termen van het oogsten van energie uit dezelfde zwaartekracht en zonnestralingskrachten die normaal een satellietconstellatie van korte duur en moeilijk te beheersen zouden maken.

De afweging is het waard, Riet zei, vooral omdat satellietexploitanten zouden kunnen bepalen waar de hiaten in de dekking zouden optreden. Storingen in deze regio's met lage prioriteit zouden ongeveer 80 minuten per dag duren, hoogstens, in het slechtste geval.

"Dit is een van die dingen waar het streven naar perfectie de innovatie in de weg zou kunnen staan, ' zei Reed. 'En je geeft niet echt een dramatisch bedrag op. Er kunnen missies zijn waar je absoluut dekking nodig hebt van overal op aarde, en in die gevallen je zou gewoon meer satellieten of genetwerkte sensoren of hybride platforms moeten gebruiken."

Het gebruik van dit type passieve controle kan de levensduur van een sterrenbeeld mogelijk verlengen van vijf jaar tot 15 jaar. Deze satellieten zouden minder drijfgas nodig hebben en zouden op grotere hoogte drijven, ze te verwijderen uit de risicovolle high-traffic zone van een lage baan om de aarde. Maar misschien is het grootste verkoopargument de lage kosten. Commerciële belangen of landen die niet over de financiële middelen beschikken om een ​​grote constellatie van satellieten te lanceren, zouden op zeer economische wijze een vrijwel continue wereldwijde dekking kunnen bereiken, met verminderde technische overhead op lange termijn.

"Zelfs één satelliet kan honderden miljoenen of miljarden dollars kosten, afhankelijk van welke sensoren erop zitten en wat het doel is. Dus een nieuw platform hebben dat je kunt gebruiken voor de bestaande en opkomende missies is best netjes, " zei Reed. "Er is veel potentieel voor teledetectie, telecommunicatie, navigatie, detectie met hoge bandbreedte en feedback in de ruimte, en dat evolueert erg, heel snel. Er zijn waarschijnlijk allerlei toepassingen die baat kunnen hebben bij een langdurige, zelfaanpassende satellietconstellatie met bijna wereldwijde dekking."

De hoofdauteur van het artikel is Lake Singh van The Aerospace Corporation. Onderzoekers van de Universiteit van Californië, Davis, ook bijgedragen.

"We hebben gebruik gemaakt van de expertise van Aerospace op het gebied van constellatieontwerp met Cornell's leiderschap in intelligente zoekanalyses en hebben een operationeel haalbaar alternatief gevonden voor het Draim-constellatieontwerp, " zei Singh, systems director voor de afdeling Future Architectures van The Aerospace Corporation. "Deze constellatieontwerpen kunnen substantiële voordelen bieden aan missieplanners voor concepten in geostationaire banen en daarbuiten."