SCTD, 11/09/2024
Um novo estudo apresenta o design de uma mega constelação de satélites, envolvendo 891 satélites, utilizando mecânica orbital avançada e algoritmos de otimização para garantir capacidades rápidas de observação global.
O design otimizado da configuração de uma mega constelação de observação em Órbita Baixa da Terra em um ambiente espacial complexo é um problema não linear que é difícil de resolver de forma analítica. Agora, os pesquisadores propuseram um novo método de design de constelação que considera a largura da imagem dos satélites, voo em formação de subgrupos de satélites e cobertura global uniforme por cargas úteis.
Primeiramente, os satélites na mega constelação são categorizados e o design da constelação com base em diferentes divisões de satélites é proposto. Os satélites da mega constelação são divididos em 2 tipos: os satélites básicos e os satélites acompanhantes. Todos os satélites básicos, que são cercados pelos satélites acompanhantes, estão distribuídos uniformemente globalmente e seguem a mesma trajetória subsatélite. Um satélite básico e seus satélites acompanhantes são definidos como um grupo de satélites. A constelação é composta de muitos grupos de satélites, como mostrado na Figura 1.
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| Figura 1. Distribuição orbital da mega constelação LEO. Crédito: Espaço: Ciência e Tecnologia |
Mecânica Orbital e Distribuição de Satélites
Quanto aos satélites básicos, o semi-eixo maior (a) da órbita de regressão pode ser resolvido numericamente, considerando (1) que a órbita de regressão requer que um satélite faça R voltas ao redor da Terra em D dias e (2) que a influência da força de perturbação J2 da órbita é considerada. Assumindo que a largura de cobertura de um grupo de satélites no solo seja d, o número de planos orbitais básicos é Nt = teto(2πRe/d), onde teto(⋅) é a função de arredondamento para cima.
Assumindo que o tempo máximo de resposta para completar a missão de observação da Terra exigida pelo usuário seja mt e o plano orbital seja dividido uniformemente de acordo com o período orbital T, o número de satélites básicos em cada plano orbital é Nn = teto(T/mt). Com base na análise acima, insira o i, e, e ω da constelação e Q = R/D, então a constelação de satélites básicos é projetada.
Dinâmica e Configuração do Grupo de Satélites
Quanto aos satélites acompanhantes, eles possuem o mesmo semi-eixo maior dos satélites básicos. De acordo com a equação de Clohessy-Wiltshire, a trajetória de movimento relativo entre os satélites básicos e os satélites acompanhantes é uma elipse. Considerando que os vetores de posição no tempo inicial e T/2 em relação ao satélite básico são opostos, os elementos orbitais dos primeiros satélites acompanhantes podem ser resolvidos. Assumindo que a largura da imagem de um satélite individual seja sd, o número de satélites acompanhantes em um grupo de satélites é Na = teto(d/sd – 1).
Divida a trajetória do primeiro satélite acompanhante em relação ao sistema de coordenadas orbitais do satélite básico em ordem cronológica, extraia os vetores de posição de todos os pontos iguais sob o sistema orbital e use esses vetores como os vetores de posição dos outros satélites acompanhantes no sistema orbital do satélite básico no tempo inicial.
Combinando as órbitas dos satélites básicos e acompanhantes, obtém-se a configuração de uma mega constelação.
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| Figura 10. Processo de atualização individual. Crédito: Espaço: Ciência e Tecnologia |
Otimização da Constelação de Satélites
Em seguida, os parâmetros da órbita dos satélites e seus acompanhantes são definidos como valores iniciais, e as órbitas precisas sob o modelo de Propagador de Órbita de Alta Precisão são resolvidas na vizinhança usando o algoritmo de Otimização por Enxame de Partículas de Classificação Não Dominada. Transforme os elementos orbitais de qualquer satélite básico em informações de posição e velocidade, registradas como {pxpq, pypq, pzpq, vxpq, vypq, vzpq}. Adicione um incremento para construir sua vizinhança, que pode ser expressa como {Δpxpq, Δpypq, Δpzpq, Δvxpq, Δvypq, Δvzpq}.
A variável de otimização da órbita do satélite acompanhante é o incremento de posição e velocidade de todos os satélites básicos. O objetivo de otimização f1 para a configuração dos satélites básicos é minimizar a diferença absoluta entre os nós ascendentes e descendentes de qualquer satélite básico bspq no ciclo i e os nós ascendentes e descendentes de bs1q o máximo possível. O objetivo de otimização f2 dos satélites acompanhantes é manter a posição relativa o mais próxima possível sob o sistema orbital dos satélites básicos em vários períodos de movimento subsequentes.
O processo iterativo de otimização envolve a aproximação contínua da frente de Pareto. Na prática, encontra-se todas as soluções não dominadas do indivíduo inicial como o conjunto de soluções ótimas. Calculam-se os dois objetivos de otimização de cada um em sequência, e usa-se o indivíduo global não dominado mais próximo e o próprio indivíduo histórico não dominado como objetos de aprendizagem. Atualizam-se as variáveis de otimização individuais e os incrementos de variáveis com base nas informações da população, experiência individual e inércia própria, como mostrado na Figura 10.
Em seguida, calcula-se o f1 e f2 dos novos indivíduos gerados novamente e regenera-se a frente de Pareto global e a frente de Pareto histórica individual. Após um número fixo de ciclos ou se a função objetivo for menor que o limite, a iteração termina e a frente de Pareto global pode ser obtida. Neste ponto, a configuração final da constelação pode ser selecionada com base nas preferências do usuário ou na superposição linear de f1 e f2.
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| Figura 15. Configuração final da mega constelação LEO. Crédito: Espaço: Ciência e Tecnologia |
Verificação e Resultados de Simulação
Por fim, a correção do método de design da configuração é verificada por simulação numérica. Na simulação, define-se a inclinação orbital da constelação como 66°, excentricidade como 0, argumento do perigeu como 0, tempo de simulação como 1 dia, coeficiente de regressão Q = 15, nó ascendente inicial como 0, MA inicial como 0, largura de imagem de um grupo de satélites como 1500 km, largura de imagem de um único satélite como 140 km, e o tempo máximo de trabalho de um único satélite para orbitar um único círculo como 35 minutos.
Durante a otimização, observa-se que a velocidade de aproximação da frente de Pareto nas primeiras 100 gerações é extremamente rápida. À medida que o número de iterações aumenta, a variação da frente de Pareto diminui gradualmente e, eventualmente, se estabiliza. Na geração final de soluções não dominadas, seleciona-se o indivíduo de f1 = 1.981 e f2 = 9516.482 como a solução final, e a configuração da constelação é mostrada na Figura 15.
A constelação possui um total de 891 satélites, dos quais 81 satélites básicos estão distribuídos uniformemente, com 10 satélites acompanhantes distribuídos uniformemente ao redor de cada satélite básico. Um total de 810 satélites acompanhantes podem realizar observação colaborativa de qualquer posição fora da região polar em até 35 minutos.
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