Обслуживание крупномасштабных группировок спутников с использованием логистического подхода

Ученые нашли способ обслуживания крупных скоплений спутников

Сегодня все большую популярность приобретают крупномасштабные группировки спутников связи, также известные как мегаконстелляции. В феврале 2019 года компания OneWeb запустила первую партию спутников первоначальной группировки из 650 спутников, а в мае 2019 года SpaceX также запустила первую партию своей группировки из 12 000 спутников. Кроме того, 8 июля Амазон подал в ФКС заявку на создание группировки, состоящей из 3 236 спутников. Ожидается, что эти группировки спутников изменят ситуацию благодаря созданию всемирной службы спутникового Интернета.

Однако непредсказуемо большие масштабы этих мегаконстелляций также порождают многочисленные проблемы, некоторые из которых скрыты и недостаточно изучены. Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Кампайн выявили важнейшую скрытую проблему, связанную с заменой сломанных спутников на мегаконстелляции, и предложили уникальное решение с использованием методов инвентарного контроля.

«Эффективное обслуживание этих крупномасштабных мегаконстелляций намного сложнее, чем обслуживание традиционных космических систем. Фактически, это становится все более похожей на проблему наземной логистики, над которой работали FedEx или UPS. Наземная логистика оказалась не только уникальной и интересной, но и очень подходящей в этом контексте», — сказал Коки Хо, доцент кафедры аэрокосмической техники Университета штата Иллинойс.

Описанная Хо задача состоит в том, чтобы эффективно заменить новый спутник на вышедший из строя. Для телекоммуникационных компаний выход из строя спутников означает прерывание связи и интернет-сервиса, что приводит к недовольству клиентов и потере дохода.

«Развертывание крупномасштабной группировки — это одна из проблем, но сохранение этой группировки — еще одна, возможно, более сложная проблема. Вы должны хранить запасные части на орбите – но сколько их нужно?», — сказал Хо.

Для старых, малочисленных групп спутников, это не было проблемой. Новые малоразмерные спутники дешевле, но имеют относительно более высокую частоту отказов, поэтому в каждой орбитальной плоскости требуется гораздо больше запасных частей, и это неэффективно.

«Наша идея заключается в том, чтобы использовать так называемый многоэшелонный метод управления инвентаризацией в наземной логистике и применять его в контексте орбитальной механики», — сказал Хо.

«В нашем решении другая орбита, которая ниже фактической орбиты, мы называем ее орбитой стоянки, становится промежуточным хранилищем спутников. Небольшое число запасных спутников находится на фактической орбитальной орбите для немедленной замены, в то время как на орбите стоянки ждет более крупная группа запасных спутников. Те, что в плоскости орбиты покрывают неотложные потребности, запасные части на орбите стоянки могут пополнить основную орбиту.»

В исследовании также используется эффект J2 орбитальной плоскости, вызванный наклоном Земли, для доставки запасных частей. Земля не идеальная сфера, объяснил Хо, и поскольку это не идеальная сфера, орбитальная плоскость будет смещаться.

«Эта скорость смещения орбитальной плоскости отличается в зависимости от высоты», — сказал Хо.

«Так что когда у нас есть орбита стоянки, которая находится на меньшей высоте, чем первоначальная орбита созвездия, их скорость перемещения по орбите различна. Созданная нами математическая модель учитывает смещение скорости и то, какая плоскость ближе к спутнику, нуждающемуся в замене, так что вы будете иметь непрерывное покрытие Земли. Метод рассматривает, какая орбитальная плоскость является первой, которая будет совпадать с плоскостью, имеющей спрос, а также рассматривает, есть ли в ней запасные части на самом деле. Если у этого самолета нет запасных частей, то мы ждем следующего самолета», — сказал Хо.

Хо сказал, что этот метод также устраняет необходимость в срочном запуске нового спутника.

«Благодаря этой складской стратегии, когда есть неработающий спутник, уже есть запасы, доступные для его замены. Когда запас опускается ниже определенного порога, вы можете запустить больше на парковочную орбиту. Это позволяет использовать эффект пакетного запуска. Дешевле отправить одну ракету с кучей спутников, чем запустить каждый из них по отдельности.»

Хо считает, что этот новый метод поставок решает своевременную проблему.

Популярные материалы