I dag, storskaliga kommunikationssatellitkonstellationer, även känd som megakonstellationer, har blivit mer och mer populära. OneWeb lanserade den första satsen satelliter i en första 650-satellitkonstellation i februari 2019, och SpaceX lanserade också den första satsen av sina 12, 000-satelliter konstellation i maj 2019. Den 8 juli, Amazon lämnade också in en ansökan till FCC för sin planerade satellitkonstellation med 3, 236 satelliter. Dessa satellitkonstellationer förväntas bli en game changer genom att förverkliga den världsomspännande satellitinternettjänsten.

Dock, den oerhört stora skalan av dessa megakonstellationer medför också många utmaningar, varav några är dolda och inte väl undersökta. Forskare vid University of Illinois i Urbana-Champaign identifierade en kritisk dold utmaning när det gäller att ersätta de trasiga satelliterna i megakonstellationer och föreslog en unik lösning med inventeringsmetoder.

"Att underhålla dessa storskaliga megakonstellationer effektivt är mycket mer komplext än de traditionella rymdsystemen. Faktum är att, det har blivit mer och mer som ett marklogistikproblem som FedEx eller UPS har arbetat med. Så vi tacklade detta underhållsproblem i megakonstellationen genom att utnyttja idén från marklogistik, vilket visar sig vara inte bara unikt och intressant utan också mycket lämpligt i det här sammanhanget", sa Koki Ho, biträdande professor vid institutionen för flygteknik vid U of I.

Utmaningen som Ho beskrev är att effektivt byta ut en ny satellit mot en som går sönder. För teleföretag, trasiga satelliter betyder avbruten kommunikation och internettjänst, vilket leder till missnöjda kunder och förlorade intäkter.

"Att distribuera en storskalig konstellation är ett problem, men att behålla det är ett annat möjligen mer utmanande problem, " sa Ho. "När satelliterna går sönder, att tillhandahålla en reserv snabbt är viktigt så det finns lite luckor i tjänsten. Företag behöver kontinuerlig service för att tillhandahålla global täckning. För att uppnå det, vi måste ha tillräckligt med reservdelar i omloppsbana. Frågan är:hur många skulle räcka. Kan vi komma på ett smartare sätt att använda så få satelliter som möjligt för att tillfredsställa gapkravet?"

I tidigare satellitkonstellationer, Ho sa att detta inte var ett problem eftersom skalan var tillräckligt liten. Sofistikerade metoder för att beräkna det nödvändiga antalet reservdelar behövdes inte; att bara ha några reservdelar per orbitalplan var tillräckligt. Men med en konstellation som består av hundratals satelliter, strategin kommer inte att fungera. Också, ny, små satelliter är billigare men har en relativt högre felfrekvens så många fler reservdelar behövs i varje orbitalplan, och det är ineffektivt.

"Vår idé är att använda något som kallas en multi-echelon-inventeringskontrollmetod i marklogistiken och tillämpa den på orbitalmekanikerns sammanhang, " sa Ho. "I vår lösning, en annan omloppsbana som är lägre än den faktiska omloppsbanan, som vi kallar parkeringsbanan; blir ett mellanlager för satelliterna. Ett litet antal reservsatelliter finns i det faktiska omloppsplanet för omedelbar ersättning, medan ett större lager av ersättningssatelliter väntar i parkeringsbanan. De i orbitalplanet täcker ett omedelbart behov, reservdelar i parkeringsbanan kan fylla på den faktiska banan."

Forskningen drar också fördel av J2-effekten av orbitalplanet, som orsakas av jordens snedhet, att leverera reservdelar. Jorden är inte en perfekt sfär, Ho förklarade, och eftersom det inte är en perfekt sfär, orbitalplanet kommer att förskjutas.

"Denna omloppsplanets skifthastighet är olika beroende på höjden, " sa Ho. "Så när vi har en parkeringsbana som är på en lägre höjd än den ursprungliga konstellationsbanan, deras orbitala skifthastigheter är olika. Den matematiska modellen vi skapade tar hänsyn till den hastighetsförskjutningen och vilket plan som är närmare satelliten som behöver bytas ut så att du kommer att ha kontinuerlig täckning av jorden. Metoden tittar på vilket orbitalplan som är det första som kommer att matcha planet som har en efterfrågan och överväger också om det planet faktiskt har reservdelar i sig. Om det planet inte har reservdelar, sen väntar vi till nästa plan, " sa Ho.

Ho sa att denna metod också tar bort den kostsamma brådskan att skjuta upp en ersättningssatellit.

"Med denna lagerstrategi, när det finns en misslyckad satellit, det finns redan ett lager tillgängligt för att ersätta det. När aktien går under en tröskel, du kan starta mer till parkeringsbanan. Detta drar fördel av batch-starteffekten. Det är billigare att skicka upp en raket med ett gäng satelliter än att skjuta upp var och en av dem separat."

Ho tror att denna nya leveransmetod löser ett aktuellt problem.

"Folk pratar mycket om dessa megakonstellationer men de har inte tänkt tillräckligt djupt på några av de nya utmaningarna de ger, "Ho sa. "Att använda en unik lagerstrategi gav en effektiv lösning för att ta itu med detta komplexa problem."

Pappret, "Optimal reservstrategi för satellitkonstellationer som använder multi-Echelon inventeringskontroll, " är skriven av Pauline Jakob och Koki Ho från U of I och Seiichi Shimizu, Shoji Yoshikawa från Mitsubishi Electric Corporation, Amagasaki, Japan. Det visas i Journal of Spacecraft and Rockets .