I decennier har forskare försökt räkna ut det minsta antalet satelliter som skulle kunna se alla punkter på jorden. Denna fråga motiveras delvis av det växande problemet med rymdavfall, men också av överväganden av kostnad och effektivitet. I mitten av 1980-talet föreslog forskaren John E. Draim en lösning på detta problem i en serie studier och hävdade att en konstellation med fyra satelliter var allt som behövdes.
Tyvärr var hans lösning helt enkelt inte praktisk då, eftersom det skulle behövas en enorm mängd drivmedel för att hålla satelliterna i omloppsbana. Men tack vare en samarbetsstudie som nyligen gjorts har ett forskarlag hittat rätt kombination av faktorer för att möjliggöra en konstellation med fyra satelliter. Deras resultat kan leda till framsteg inom telekommunikation, navigering och fjärranalys och samtidigt minska kostnaderna.
Studien som beskriver deras resultat nyligen dök upp i tidskriften Naturkommunikation och leddes av Patrick Reed, professor i civil- och miljöteknik vid Cornell University. Reed förenades av ingenjörer och forskare från The Aerospace Corporation och University of California, Davis, med stöd från National Science Foundation (NSF).
För att ta itu med frågan om hur man kan hålla en fungerande konstellation med ett minimumantal satelliter igång beaktade teamet alla faktorer som får satelliter att deorbit över tid. Dessa inkluderar jordens tyngdkraftsfält, atmosfäriskt drag, månens och solens gravitationspåverkan och trycket från solstrålningen. Som Reed förklarade:
”En av de intressanta frågorna vi hade var, kan vi faktiskt förändra dessa krafter? I stället för att försämra systemet, kan vi faktiskt vända det så att konstellationen skördar energi från dessa krafter och använder dem för att aktivt kontrollera sig själv? ”
Den samarbetsstudien samlade The Aerospace Corporation: s expertis inom banbrytande astrofysik, operativ logistik och simuleringar med Reeds egen expertis inom AI-baserade datorsökverktyg. Teamet förlitade sig också på Blue Waters superdator vid University of Illinois för att sikta igenom hundratusentals möjliga banor och kombinationer av störningar.
Som Lake A. Singh, systemdirektören för Aerospace Corporation: s Future Architectures-avdelning, förklarade:
"Vi utnyttjade Aerospace's konstellationsdesignkompetens med Cornells ledare inom intelligent sökanalys och upptäckte ett operativt genomförbart alternativ till Draim-konstellationsdesignen. Dessa konstellationsdesign kan ge väsentliga fördelar för uppdragsplanerare för begrepp på geostationära banor och därefter. "
Med tiden kunde teamet begränsa sina konstellationsdesign till två modeller. I ett kan satelliterna kretsa i en 24-timmarsperiod och uppnå 86% global täckning. Å andra sidan skulle satelliterna gå i en 48-timmarsperiod och uppnå 95% täckning. Medan båda blev blyg för 100%, fann teamet att att offra en liten täckningsmarginal skulle leda till en betydande avvägning.
Detta inkluderar förmågan att utnyttja mer energi från samma gravitations- och solstrålning som vanligtvis skulle göra satelliter svåra att kontrollera och orsaka deras banor förfall. Dessutom skulle satellitoperatörer kunna kontrollera var luckorna i täckningen skulle inträffa och dessa skulle pågå endast 80 minuter om dagen. Som Reed sa, är denna avvägning värt det:
”Det här är en av de saker där strävan efter perfektion faktiskt skulle kunna stimulera innovationen. Och du ger inte upp något dramatiskt belopp. Det kan finnas uppdrag där du absolut behöver täcka överallt på jorden, och i dessa fall skulle du bara behöva använda fler satelliter eller nätverkssensorer eller hybridplattformar. ”
Andra fördelar med denna typ av passiv satellitstyrning inkluderar hur den potentiellt kan förlänga en konstellations livslängd från 5 till 15 år. De kräver också mindre drivmedel och skulle kunna flyta vid högre höjder, vilket minskar risken för stötar med rymdskepp och andra kretsande föremål. Men den största försäljningsstället är hur kostnadseffektivt denna installation skulle jämföras med konventionella satellitkonstellationer.
Detta gör det särskilt tilltalande för länder eller kommersiella flyg- och rymdföretag som inte har de nödvändiga ekonomiska resurserna för att distribuera stora konstellationer.
”Till och med en satellit kan kosta hundratals miljoner eller miljarder dollar, beroende på vilka sensorer som finns på den och vad dess syfte är. Så att ha en ny plattform som du kan använda över de befintliga och nya uppdragen är ganska snyggt. Det finns mycket potential för fjärravkänning, telekommunikation, navigering, avkänning med hög bandbredd och feedback i rymden, och det utvecklas mycket, mycket snabbt. Det finns förmodligen alla möjliga applikationer som kan dra nytta av en långlivad, självanpassande satellitkonstellation med nästan global täckning. "
Denna studie löser inte bara en pågående fråga om satellitbeläggning och underhåll av konstellationer. Det står också för att driva framsteg inom telekommunikation, navigering och fjärranalys. Inom en nära framtid kommer otaliga satelliter att sändas till rymden för att tillhandahålla satellit-internet (SpaceXs Starlink-konstellation), genomföra vetenskapliga experiment och övervaka jordens atmosfär och yta.
Mellan detta och besläktade problem med rymdskräp kommer det att vara mycket praktiskt att kunna göra mer med mindre (och för mindre pengar)!
