Vandaag, grootschalige communicatiesatellietconstellaties, ook wel bekend als megaconstellaties, zijn steeds populairder geworden. OneWeb lanceerde de eerste batch satellieten van een eerste constellatie met 650 satellieten in februari 2019, en SpaceX lanceerde ook de eerste batch van zijn 12, Constellatie met 000 satellieten in mei 2019. Op 8 juli Amazon heeft ook een aanvraag ingediend bij de FCC voor zijn geplande satellietconstellatie met 3, 236 satellieten. Deze satellietconstellaties zullen naar verwachting een game changer zijn door het realiseren van de wereldwijde satelliet-internetservice.

Echter, de ongekend grote schaal van deze megaconstellaties brengt ook tal van uitdagingen met zich mee, waarvan sommige verborgen en niet goed onderzocht zijn. Onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign identificeerden een cruciale verborgen uitdaging over het vervangen van de kapotte satellieten in megaconstellaties en stelden een unieke oplossing voor met methoden voor voorraadbeheer.

"Het efficiënt onderhouden van deze grootschalige megaconstellaties is veel complexer dan de traditionele ruimtesystemen. het is meer en meer een logistiek grondprobleem geworden waar FedEx of UPS aan hebben gewerkt. Dus hebben we dit probleem met het onderhoud van megaconstellaties aangepakt door gebruik te maken van het idee van grondlogistiek, die niet alleen uniek en interessant blijkt te zijn, maar ook zeer geschikt in deze context", aldus Koki Ho, universitair docent bij de afdeling Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de U of I.

De uitdaging die Ho beschreef, is om efficiënt een nieuwe satelliet te verwisselen voor een die kapot gaat. Voor telecombedrijven kapotte satellieten betekenen onderbroken communicatie en internetdiensten, wat leidt tot ontevreden klanten en inkomstenderving.

"Het inzetten van een grootschalige constellatie is één probleem, maar het onderhouden ervan is een ander, mogelijk uitdagender probleem, " Ho zei. "Als de satellieten breken, het snel leveren van een reserve is belangrijk, dus er is weinig gat in de service. Bedrijven hebben continue service nodig om wereldwijde dekking te bieden. Om dat te bereiken, we moeten voldoende reserveonderdelen in een baan om de aarde hebben. De vraag is:hoeveel zou voldoende zijn. Kunnen we een slimmere manier bedenken om zo min mogelijk satellieten te gebruiken om aan de gap-eis te voldoen?"

In eerdere satellietconstellaties, Ho zei dat dit geen probleem was omdat de schaal klein genoeg was, geavanceerde methoden om het benodigde aantal reserveonderdelen te berekenen waren niet nodig; alleen het hebben van een paar reserveonderdelen per orbitaal vlak was genoeg. Maar met een sterrenbeeld dat bestaat uit honderden satellieten, de strategie zal niet werken. Ook, nieuwe, kleine satellieten zijn goedkoper, maar hebben een relatief hoger uitvalpercentage, zodat er veel meer reserveonderdelen nodig zijn in elk baanvlak, en dat is inefficiënt.

"Ons idee is om iets dat een multi-echelon voorraadbeheermethode wordt genoemd in de grondlogistiek te gebruiken en toe te passen op de context van de orbitale monteur, " Ho zei. "In onze oplossing, een andere baan die lager is dan de werkelijke baan, die we de parkeerbaan noemen; wordt een tussenmagazijn van de satellieten. Een klein aantal reserve-satellieten bevindt zich in het eigenlijke baanvlak voor onmiddellijke vervanging, terwijl een grotere voorraad vervangende satellieten in de parkeerbaan wacht. Degenen in het baanvlak voorzien in een onmiddellijke behoefte, de reserveonderdelen in de parkeerbaan kunnen de werkelijke baan aanvullen."

Het onderzoek maakt ook gebruik van het J2-effect van het baanvlak, die wordt veroorzaakt door de schuinheid van de aarde, om de reserveonderdelen te leveren. De aarde is geen perfecte bol, Ho uitgelegd, en omdat het geen perfecte bol is, het baanvlak zal verschuiven.

"De verschuivingssnelheid van het orbitale vlak verschilt afhankelijk van de hoogte, Ho zei. "Dus als we een parkeerbaan hebben die op een lagere hoogte is dan de oorspronkelijke baan van de constellatie, hun orbitale verschuivingssnelheden zijn verschillend. Het wiskundige model dat we hebben gemaakt, houdt rekening met die snelheidsverschuiving en welk vlak zich het dichtst bij de satelliet bevindt die moet worden vervangen, zodat je een continue dekking van de aarde hebt. De methode kijkt welk baanvlak het eerste is dat overeenkomt met het vliegtuig dat vraag heeft en ook of dat vliegtuig daadwerkelijk reserveonderdelen bevat. Als dat vliegtuig geen reserveonderdelen heeft, dan wachten we tot het volgende vliegtuig, ' zei Ho.

Ho zei dat deze methode ook de kostbare urgentie wegneemt om een ​​vervangende satelliet te lanceren.

"Met deze magazijnstrategie als er een mislukte satelliet is, er is al een inventaris van de voorraad beschikbaar om deze te vervangen. Als het aandeel onder een drempel komt, je kunt meer naar de parkeerbaan lanceren. Dit maakt gebruik van het batch-lanceringseffect. Het is goedkoper om één raket met een aantal satellieten omhoog te sturen dan ze allemaal afzonderlijk te lanceren."

Ho is van mening dat deze nieuwe leveringsmethode een actueel probleem oplost.

"Mensen praten veel over deze megaconstellaties, maar ze hebben niet diep genoeg nagedacht over enkele van de nieuwe uitdagingen die ze met zich meebrengen, Ho zei. "Het gebruik van een unieke magazijnbenadering bood een efficiënte oplossing om dit complexe probleem aan te pakken."

De krant, "Optimale reservestrategie voor satellietconstellaties met behulp van multi-echelon voorraadbeheer, " is geschreven door Pauline Jakob en Koki Ho van de U van I en Seiichi Shimizu, Shoji Yoshikawa van Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki, Japan. Het verschijnt in de Journal of Spacecraft and Rockets .