今天,大型通信卫星星座,也称为巨型星座,已经越来越受欢迎。OneWeb于2019年2月发射了首批650卫星星座的第一批卫星,SpaceX还于2019年5月发射了第一批12,000颗卫星星座。7月8日,亚马逊还向美国联邦通信委员会提交了一份申请卫星星座有3,236颗卫星。通过实现全球卫星互联网服务,这些卫星星座有望改变游戏规则。

然而,这些巨型星座的前所未有的大规模也带来了许多挑战,其中一些是隐藏的,而且没有得到很好的探索。伊利诺伊大学厄本那 - 香槟分校的研究人员发现了一个关于更换巨型星座中破碎卫星的重大隐患,并提出了一种采用库存控制方法的独特解决方案。

“有效地维护这些大规模的大型集群远比传统的太空系统复杂得多。事实上,它已经变得越来越像FedEx或UPS一直在研究的地面物流问题。所以我们利用这个问题解决了这个巨型星座维护问题。来自地面物流的想法,结果不仅独特而有趣,而且非常适合这种情况“,我的航空航天工程系助理教授Koki Ho说。

Ho所描述的挑战是有效地换掉新的卫星用于断开的卫星。对于电信公司而言,破碎的卫星意味着中断的通信和互联网服务,这会导致心怀不满的客户和收入损失。

“部署大型星座是一个问题,但维持它是另一个可能更具挑战性的问题,”何说。“当卫星断裂时,快速提供备用是非常重要的,因此服务上的差距很小。公司需要持续的服务来提供全球覆盖。为了实现这一目标,我们需要在轨道上有足够的备件。问题是:如何很多就足够了。我们能想出一种更智能的方法来尽可能少地使用卫星来满足间隙要求吗?“

在较早的卫星星座中,Ho表示这不是一个问题,因为规模足够小,不需要复杂的方法来计算所需的备件数量; 每个轨道平面只有一些备件就足够了。但是,由数百颗卫星组成的星座,该策略将无法运作。此外,新的小型卫星更便宜,但故障率相对较高,因此每个轨道平面需要更多的备件,效率低下。

“我们的想法是在地面物流中使用一种称为多级库存控制方法的东西,并将其应用于轨道机械的背景,”Ho说。“在我们的解决方案中,另一个低于实际轨道的轨道,我们称之为停车轨道;成为卫星的中间仓库。少量备用卫星在实际轨道平面上立即更换,而更大的库存更换卫星正在停车轨道等待。轨道飞机中的那些卫星直接需要,停车轨道上的备件可以补充实际的轨道。

该研究还利用了由地球倾斜引起的轨道平面的J2效应来提供备件。何解释说,地球不是一个完美的球体,因为它不是一个完美的球体,所以轨道平面会发生变化。

“轨道平面移动速度因高度而异,”何说。“因此,当我们的停车轨道位于比原始星座轨道更低的高度时,它们的轨道移动速率是不同的。我们创建的数学模型考虑了速率偏移以及哪个平面更接近需要更换的卫星这样你就可以连续覆盖地球了。该方法着眼于哪个轨道平面是第一个与有需求的平面匹配的轨道平面,并考虑该平面是否实际上有备用。如果那个平面没有有备用,然后我们等到下一架飞机,“何说。

何说,这种方法也消除了发射替代卫星的代价高昂的紧迫性。

“通过这种仓库策略,当卫星发生故障时,已有可用于替换它的库存库存。当库存低于阈值时,您可以向停车轨道发射更多。这利用了批量启动效果用一堆卫星发射一枚火箭比单独发射每枚火箭更便宜。“

Ho相信这种新的供应方法可以解决及时的问题。

“人们正在谈论这些巨型星座,但他们对他们带来的一些新挑战并没有深入思考,”何说。“使用独特的仓库方法为解决这一复杂问题提供了有效的解决方案。”