Se det som ett himmelskt sällskapsspel:Vad är det minsta antalet satelliter som behövs för att se varje punkt på jorden? Och hur kan dessa satelliter stanna i omloppsbana och upprätthålla kontinuerlig täckning dygnet runt medan de kämpar med jordens gravitationsfält, dess klumpiga massa, solens och månens drag, och tryck från solstrålning?

I mitten av 1980-talet forskaren John E. Draim föreslog vad som allmänt anses vara den ideala lösningen:en konstellation med fyra satelliter. Dock, mängden drivmedel som behövs för att hålla satelliterna på plats, och den därav följande kostnaden, gjorde konfigurationen omöjlig.

Nu, ett National Science Foundation-sponsrat samarbete ledd av Patrick Reed, Joseph C. Ford professor i teknik vid Cornell University, har upptäckt den rätta kombinationen av faktorer för att göra en konstellation med fyra satelliter möjlig, som kan driva framsteg inom telekommunikation, navigering och fjärranalys. Och i en genial twist, Det har forskarna åstadkommit genom att få de krafter som vanligtvis försämrar satelliter i stället att arbeta till deras fördel.

"En av de intressanta frågorna vi hade var, kan vi verkligen omvandla dessa krafter? Istället för att förnedra systemet, kan vi faktiskt vända det så att konstellationen skördar energi från dessa krafter och använder dem för att aktivt kontrollera sig själv?" sa Reed.

Deras papper, "Lågprissatellitkonstellationer för nästan kontinuerlig global täckning, " publicerad 10 januari in Naturkommunikation .

De AI-baserade evolutionära datorsökverktygen som Reed har utvecklat är idealiska för att navigera i de många komplikationerna med satellitplacering och -hantering.

För detta projekt, Reed samarbetade med forskare från The Aerospace Corporation, kombinerar hans algoritmiska kunnande med företagets expertis inom banbrytande astrofysik, operativ logistik och simuleringar.

För att sålla igenom hundratusentals möjliga banor och kombinationer av störningar, laget använde Blue Waters superdator vid University of Illinois, Urbana-Champaign. Blue Waters komprimerade 300 eller 400 års beräkningsutforskning till motsvarande ungefär en månads faktiska beräkningar, sa Reed.

De vann sina konstellationsdesigner till två modeller som kunde kretsa i antingen en 24- eller 48-timmarsperiod och uppnå kontinuerlig täckning över 86 % och 95 % av jorden, respektive. Medan 100 % prestandatäckning skulle vara idealiskt i teorin, forskarna fann att att offra endast 5%-14% skapade större vinster när det gäller att skörda energi från samma gravitations- och solstrålningskrafter som normalt skulle göra en satellitkonstellation kortlivad och svår att kontrollera.

Avvägningen är värt det, Reed sa, särskilt eftersom satellitoperatörer kunde kontrollera var luckorna i täckningen skulle uppstå. Avbrott i dessa lågprioriterade regioner skulle vara cirka 80 minuter om dagen, som mest, i värsta fall.

"Det här är en av de saker där strävan efter perfektion faktiskt skulle kunna hindra innovationen, " sa Reed. "Och du ger inte upp en dramatisk summa. Det kan finnas uppdrag där du absolut behöver täckning överallt på jorden, och i dessa fall, du skulle bara behöva använda fler satelliter eller nätverksanslutna sensorer eller hybridplattformar."

Att använda den här typen av passiv kontroll kan potentiellt förlänga en konstellations livslängd från fem år till 15 år. Dessa satelliter skulle kräva mindre drivmedel och skulle flyta på högre höjder, ta bort dem från den riskfyllda högtrafikzonen med låg omloppsbana om jorden. Men det kanske största försäljningsargumentet är den låga kostnaden. Kommersiella intressen eller länder utan ekonomiska resurser för att skjuta upp en stor konstellation av satelliter skulle kunna uppnå nästan kontinuerlig global täckning mycket ekonomiskt, med minskade långsiktiga tekniska omkostnader.

"Även en satellit kan kosta hundratals miljoner eller miljarder dollar, beroende på vilka sensorer som sitter på den och vad dess syfte är. Så att ha en ny plattform som du kan använda för de befintliga och framväxande uppdragen är ganska snyggt, " sa Reed. "Det finns mycket potential för fjärranalys, telekommunikation, navigering, högbandbreddsavkänning och feedback runt utrymmet, och det utvecklas väldigt mycket, väldigt snabbt. Det finns sannolikt alla möjliga typer av applikationer som kan dra nytta av en långlivad, självanpassande satellitkonstellation med nära global täckning."

Tidningens huvudförfattare är Lake Singh med The Aerospace Corporation. Forskare från University of California, Davis, också bidragit.

"Vi utnyttjade Aerospaces expertis inom konstellationsdesign med Cornells ledarskap inom intelligent sökanalys och upptäckte ett operativt genomförbart alternativ till Draims konstellationsdesign, sa Singh, systemdirektör för The Aerospace Corporations avdelning för framtida arkitektur. "Dessa konstellationsdesigner kan ge betydande fördelar för uppdragsplanerare för koncept ute vid geostationära banor och bortom."