W nowym badaniu przedstawiono projekt konstelacji megasatelitów składającej się z 891 satelitów, wykorzystującej zaawansowaną mechanikę orbity i algorytmy optymalizacji w celu zapewnienia szybkich możliwości obserwacji globalnych.
Projekt optymalizacji konfiguracji mega konstelacji obserwacyjnej na niskiej orbicie okołoziemskiej w złożonym środowisku kosmicznym jest problemem nieliniowym, który jest trudny do rozwiązania analitycznego. Teraz badacze zaproponowali nową metodę projektowania konstelacji, która uwzględnia szerokość obrazowania satelitarnego, loty w formacji satelitów podgrupy oraz globalne jednolite pokrycie ładunkami.
Najpierw kategoryzuje się satelity w megakonstelacji i proponuje się projekt konstelacji w oparciu o różne podziały satelitów. Satelity w megakonstelacji dzielą się na 2 typy: satelity podstawowe i satelity towarzyszące. Wszystkie satelity podstawowe otoczone satelitami towarzyszącymi są równomiernie rozmieszczone na całym świecie i mają tę samą trajektorię podsatelity. Satelita podstawowy i satelity mu towarzyszące definiuje się jako grupę satelitów. Konstelacja składa się z wielu grup satelitów, jak pokazano na rysunku 1.
Mechanika orbitalna i dystrybucja satelitarna
Jeśli chodzi o podstawowe satelity, półoś wielka A orbity regresyjnej można rozwiązać numerycznie, biorąc pod uwagę (1), że orbita regresyjna wymaga satelity do lotu R razy wokół Ziemi w D dni oraz (2) uwzględnienie wpływu siły zakłócającej J2 na orbitę. Zakładając, że szerokość pokrycia terenu grupy satelitów wynosi Dliczba podstawowych płaszczyzn orbitalnych wynosi NT = sufit (2πRmi/D) gdzie sufit (⋅) jest funkcją zaokrąglania w górę.
Zakładając, że wymagany przez użytkownika maksymalny czas reakcji na wykonanie misji obserwacji Ziemi wynosi mt a płaszczyzna orbity jest równomiernie podzielona zgodnie z okresem orbity Tliczba podstawowych satelitów w każdej płaszczyźnie orbity wynosi NN = sufit(T/mt). Na podstawie powyższej analizy wprowadź I, miI ω konstelacji i Q = R/Dnastępnie projektowana jest podstawowa konstelacja satelitów.
Dynamika i konfiguracja grupy satelitów
Jeśli chodzi o satelity towarzyszące, mają one półoś wielką z satelitami podstawowymi. Zgodnie z równaniem Clohessy’ego-Wiltshire’a względna trajektoria ruchu pomiędzy satelitami podstawowymi i satelitami towarzyszącymi jest elipsą. Następnie, biorąc pod uwagę, że wektory położenia w chwili początkowej oraz T/2 względem satelity podstawowego są przeciwne, można rozwiązać elementy orbitalne pierwszych satelitów towarzyszących. Zakładając, że szerokość obrazowania pojedynczego satelity wynosi SDliczba towarzyszących satelitów w grupie satelitów wynosi NA = sufit(D/SD – 1).
Podziel trajektorię pierwszego satelity towarzyszącego względem podstawowego układu współrzędnych orbity satelity w porządku chronologicznym, wyodrębnij wektory położenia wszystkich równych punktów układu orbitalnego i wykorzystaj je jako wektory położenia innych satelitów towarzyszących w podstawowym układzie orbit satelity w początkowym czasie.
Łącząc orbity satelitów podstawowych i towarzyszących, uzyskuje się konfigurację megakonstelacji.
Optymalizacja konstelacji satelitów
Następnie parametry orbity satelity i jego towarzyszy ustalane są jako wartości początkowe, a dokładne orbity w ramach modelu High Precision Orbit Propagator są ustalane w sąsiedztwie za pomocą algorytmu Nondomination Sort Particle Swarm Optimization. Przekształć elementy orbity dowolnego podstawowego satelity w informacje o położeniu i prędkości, które są rejestrowane jako {pikselipk, pypk, pzpk, vxpk, vypk, vzpk}. Dodaj przyrost, aby zbudować ich sąsiedztwo, co można wyrazić jako {ΔpikselipkΔpypkΔpzpkΔvxpkΔvypkΔvzpk}.
Zmienną optymalizacyjną towarzyszącej orbity satelity jest położenie i przyrost prędkości wszystkich podstawowych satelitów. Cel optymalizacji F1 podstawowa konfiguracja satelity polega na minimalizowaniu bezwzględnej różnicy między węzłami wznoszącymi i zstępującymi dowolnego satelity podstawowego bspk w cyklu Ioraz węzły wstępujące i zstępujące bs1q tak bardzo, jak to możliwe. Cel optymalizacji F2 towarzyszącego satelity jest utrzymywanie względnej pozycji jak najbliżej podstawowego układu orbity satelity podczas wielu kolejnych okresów ruchu.
Proces iteracji optymalizacji polega na ciągłym zbliżaniu się do frontu Pareto. W praktyce znajdź wszystkie niedominujące rozwiązania jednostki początkowej jako zbiór rozwiązań optymalnych. Oblicz 2 cele optymalizacyjne dla wszystkich w kolejności i użyj najbliższej globalnej, niedominowanej jednostki i własnej historycznej, niezdominowanej jednostki jako obiektów do nauki. Aktualizuj indywidualne zmienne optymalizacyjne i przyrosty zmiennych w oparciu o informacje o populacji, indywidualne doświadczenie i własną bezwładność, jak pokazano na rysunku 10.
Następnie oblicz F1 I F2 nowo wygenerowanych jednostek i zregenerować globalny front Pareto i indywidualny historyczny front Pareto. Gdy ustalona liczba cykli lub funkcja celu jest mniejsza niż próg, iteracja kończy się i można uzyskać globalny front Pareto. W tym momencie można wybrać ostateczną konfigurację konstelacji w oparciu o preferencje użytkownika lub liniową superpozycję F1 i F2.
Wyniki weryfikacji i symulacji
Na koniec poprawność metody projektowania konfiguracji weryfikowana jest poprzez symulację numeryczną. W symulacji ustaw nachylenie orbity konstelacji na 66°, mimośród na 0, argument perygeum na 0, czas symulacji na 1 d, ustaw współczynnik regresji Q = 15, początkowy węzeł wstępujący jako 0, początkowy MA jako 0, szerokość obrazowania grupy satelitów jako 1500 km, szerokość obrazowania pojedynczego satelity jako 140 km, a maksymalny czas pracy pojedynczego satelity na okrążeniu pojedynczego koła jako 35 min.
Podczas optymalizacji można zaobserwować, że prędkość aproksymacji frontu Pareto w pierwszych 100 pokoleniach jest niezwykle duża. Wraz ze wzrostem liczby iteracji zmienność frontu Pareto stopniowo maleje i ostatecznie staje się stabilna. W końcowej generacji rozwiązań niezdominowanych jako rozwiązanie końcowe wybieramy osobniki f1 = 1,981 i f2 = 9516,482, a konfigurację konstelacji pokazano na rysunku 15.
Konstelacja składa się łącznie z 891 satelitów, z czego 81 satelitów podstawowych jest równomiernie rozmieszczonych, a 10 satelitów towarzyszących jest równomiernie rozmieszczonych wokół każdego satelity podstawowego. Łącznie 810 towarzyszących satelitów może w ciągu 35 minut przeprowadzić wspólne obserwacje dowolnej pozycji poza obszarem polarnym.
Odniesienie: „Metoda projektowania konfiguracji megakonstelacji do obserwacji niskiej orbity okołoziemskiej” autorstwa Yuheng Yang, Xiande Wu, Jiamin Li, Jie Zang, Jianchun Lu i Ralf Zgeib, 18 czerwca 2024 r., Przestrzeń: nauka i technologia.
DOI: 10.34133/spacja.0175
