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Satellite constellations harvest energy for near-total global coverage

把它想象成一场天上的室内游戏:要看到地球上的每一个点,最少需要多少颗卫星?在与地球的重力场、质量团块、太阳和月亮的引力以及太阳辐射的压力作斗争的同时,这些卫星如何能留在轨道上,保持24/7的连续覆盖呢?

在20世纪80年代中期,研究人员John E. Draim提出了一个通常被认为是理想的解决方案:一个四卫星星座。然而,保持卫星不动所需要的推进剂的数量,以及随之而来的成本,使得这种配置不可行。

现在,由约瑟夫·c·福特(Joseph C. Ford)的工程学教授帕特里克·里德(Patrick Reed)领导的一个由美国国家科学基金会(National Science foundation)赞助的合作项目,发现了使四卫星星座成为可能的正确组合因素,这将推动电信、导航和遥感领域的进步。在一个巧妙的转折中,研究人员通过使通常使卫星退化的力对他们有利来实现这一点。

“我们提出的一个有趣的问题是,我们能否真正改变这些力量?与其破坏系统,我们能否翻转它,让星座从这些力中获取能量,并利用它们来主动控制自己?”里德说。

他们1月10日发表在《自然通讯》(Nature Communications)杂志上的论文《近连续全球覆盖的低成本卫星星座》(Low Cost Satellite constfor Nearly Continuous Global Coverage)。

Reed开发的基于人工智能的进化计算搜索工具非常适合处理卫星定位和管理的众多复杂问题。

为了这个项目,里德与来自航空航天公司的研究人员合作,将他的算法知识与公司在前沿天体物理学、操作后勤和模拟方面的专业知识结合起来。

为了筛选数十万可能的轨道和扰动的组合,研究小组使用了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Blue Waters超级计算机。Reed说,Blue Waters将300或400年的计算探索压缩到大约相当于一个月的实际计算时间。

他们筛选了他们的星座设计到两个模型,它们可以围绕地球运行24小时或48小时,分别实现86%和95%的持续覆盖。虽然100%的性能覆盖在理论上是理想的,但研究人员发现,仅牺牲5%-14%就可以从相同的重力和太阳辐射力量中获得更多的能量,而这通常会使卫星星座短暂且难以控制。

里德说,这种权衡是值得的,特别是因为卫星运营商可以控制覆盖缺口的位置。在最坏的情况下,这些低优先级地区的停机最多每天持续约80分钟。

“这是追求完美实际上会阻碍创新的事情之一,”里德说。你并不是真的放弃了很多。在某些任务中,你可能绝对需要覆盖地球上的所有地方,在这种情况下,你只需要使用更多的卫星、联网传感器或混合平台。”

使用这种被动控制可能会将一个星座的寿命从5年延长到15年。这些卫星将需要较少的推进剂,并将在更高的海拔漂浮,将它们从危险的近地轨道高流量区域中移除。但也许最大的卖点是低成本。商业利益集团或没有财力发射大量卫星的国家可以非常经济地实现几乎连续的全球覆盖,同时减少长期的技术开销。

“即使是一颗卫星也可能耗资数亿或数十亿美元,这取决于它搭载的传感器和用途。所以有一个新的平台,你可以使用现有的和正在出现的任务是相当整洁,”里德说。“在遥感、电信、导航、高带宽传感和空间反馈方面有很大的潜力,而且发展非常非常快。可能会有各种各样的应用受益于一个长期存在的、自适应的、覆盖全球的卫星星座。”

这篇论文的主要作者是航空航天公司的莱克·辛格。加州大学戴维斯分校的研究人员也做出了贡献。

“我们利用了航空航天的星座设计专业知识和康奈尔大学在智能搜索分析方面的领导地位,发现了一个操作上可行的Draim星座设计的替代方案,”航空航天公司未来架构部门的系统主管Singh说。“这些星座设计可能为地球静止轨道内外的任务规划者提供实质性的优势。”

这项研究得到了国家科学基金会的支持。

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