Огромные созвездия спутников быстро становятся основой для многих отраслей. Сотовая связь, GPS, мониторинг погоды и многое другое теперь, по крайней мере частично, зависят от сетей, состоящих из тысяч спутников, находящихся на низкой околоземной орбите. Однако по мере того как эти созвездия увеличиваются до десятков тысяч отдельных элементов, нагрузка на системы связи и управления наземных станций становится неприемлемой.
В новой статье Юхэ Мао из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и его соавторов, опубликованной в журнале Space: Science & Technology, предлагается снизить часть нагрузки за счёт передачи значительной части схемы управления и логики принятия решений в сети самим спутникам.
Традиционные созвездия спутников
В традиционных созвездиях спутников наземные блоки управления отвечают за связь с каждым отдельным спутником. Это приводит к узким местам как в вычислительной мощности, так и в пропускной способности каналов связи по мере роста количества спутников, за которые отвечает каждая наземная станция. Эти узкие места отражаются в увеличении времени задержки, что может стать смертельным приговором для созвездий, которые становятся слишком большими, поскольку время задержки является одним из основных показателей, по которым конечные пользователи судят о сети связи.
Решение проблемы
Разработка системы, которая передаёт решения по управлению и сети от наземной станции, звучит относительно просто, но на практике это гораздо сложнее реализовать. Авторы использовали технику, называемую программно-определяемыми сетями (SDN), чтобы перенести решение для уровня управления на серию спутников, которые они назвали «Центральными узлами». Каждый из этих Центральных узлов будет отвечать за связь как с наземными станциями, настроенными для поддержки созвездия, так и со всеми «Узлами-членами» (то есть другими физически идентичными спутниками) в их общей области.
Центральные узлы выбираются в начале срока службы созвездия и физически не отличаются от всех остальных спутников в созвездии. Однако SDN-алгоритм предписывает им работать в другом режиме из-за их удачного расположения на орбите. Это единственные спутники, которым разрешено связываться с Землёй, чтобы ограничить трафик данных и сложность управления, проходящие через наземные каналы связи с созвездием.
Спутники-члены, с другой стороны, отвечают за поиск и подключение к тому Центральному узлу, который «наиболее подходит» для них. Важно отметить, что это не всегда означает самый близкий. Авторы излагают «алгоритм построения», который каждый спутник-член должен рассчитать самостоятельно, учитывая такие факторы, как время, необходимое до того, как управляющий спутник выйдет из зоны действия.
Расчёт времени, в течение которого спутник должен будет сменить управляющего, называется «временем отсоединения». Это, пожалуй, наиболее важная часть статьи. Обычно спутникам приходилось решать задачу многомерного исчисления, используя систему, называемую распространением, чтобы определить, сколько времени потребуется, чтобы выйти из зоны действия управляющего и попасть в зону действия другого.
В качестве альтернативы новый алгоритм использует алгоритм «прогнозирования», для которого требуется только расчёт того, что в статье называется «геоцентрическим углом» между двумя спутниками. Поскольку их орбиты хорошо определены, это относительно простое алгебраическое уравнение для решения относительных скоростей двух спутников по сравнению друг с другом, которое затем можно использовать для определения времени, пока расстояние между ними не превысит максимальный порог расстояния.
Важно отметить, что все эти вычисления могут быть выполнены для нескольких потенциальных «управляющих» одновременно, даже с ограниченными вычислительными мощностями на борту спутников. И, что также важно, алгоритм выбора управляющего наказывает ненужные переключения, поэтому количество «переключений» спутника на другого управляющего минимизируется.
Чтобы доказать всё это, авторы создали симуляцию из 1248 спутников, основанную на орбитальных характеристиках некоторых ранних версий Starlink. Алгоритм сети разделил созвездие на 81 отдельный «управленческий домен», каждый из которых обслуживался одним спутником-управляющим. Затем они смоделировали месяц работы созвездия и отметили, что в среднем только около шести спутников меняли управляющие ссылки в час.
Сокращение времени задержки для мегасозвездия спутников более чем на 50% — это впечатляющий результат. Однако, чтобы было понятно, это ещё не реализовано ни в одном реальном аппаратном созвездии и всё ещё нуждается в доработке для крайних случаев. Например, алгоритм определения того, к какому управляющему подключиться, не учитывает, какая нагрузка уже лежит на этом управляющем, что оставляет открытой возможность перегрузки управляющего спутника, а не наземной станции.
Но это достаточно простой фактор, который можно добавить в расчёт, и преимущества снижения задержки, по-видимому, значительно перевешивают риски. Ещё предстоит выяснить, будет ли этот алгоритм в конечном итоге принят Kuiper, Starlink или кем-либо ещё. Но пока это просто теоретическое улучшение важного компонента инфраструктуры.
Предоставлено:
[Universe Today](https://phys.org/partners/universe-today/)