I årtier har forskere forsøgt at finde ud af det mindste antal satellitter, der ville være i stand til at se alle punkter på Jorden. Dette spørgsmål er delvis motiveret af det voksende problem med pladsaffald, men også af hensyn til omkostninger og effektivitet. I midten af 1980'erne foreslog forsker John E. Draim en løsning på dette problem i en række undersøgelser og hævdede, at en konstellation på fire satellitter var alt, hvad der var nødvendigt.
Desværre var hans løsning simpelthen ikke praktisk på det tidspunkt, da det var nødvendigt med en enorm mængde drivmiddel for at holde satellitterne i kredsløb. Men takket være en nylig samarbejdsundersøgelse har et forskerhold fundet den rigtige kombination af faktorer for at gøre en konstellation på fire satellitter mulig. Deres fund kunne føre til fremskridt inden for telekommunikation, navigation og fjernmåling og samtidig reducere omkostningerne.
Undersøgelsen, der beskriver deres fund for nylig, blev vist i tidsskriftet Naturkommunikation og blev ledet af Patrick Reed, professor i civil- og miljøteknik ved Cornell University. Reed blev sammen med ingeniører og forskere fra The Aerospace Corporation og University of California, Davis, med støtte fra National Science Foundation (NSF).
For at tackle spørgsmålet om, hvordan man kan holde en fungerende konstellation med et minimum antal satellitter i gang, overvejede teamet alle de faktorer, der får satellitter til at deorbit over tid. Disse inkluderer Jordens tyngdekraftfelt, atmosfærisk træk, månens og solens gravitationspåvirkning og pres fra solstråling. Som Reed forklarede:
”Et af de interessante spørgsmål, vi havde, var, kan vi faktisk transformere disse kræfter? I stedet for at nedbryde systemet, kan vi faktisk vende det sådan, at stjernebilledet høster energi fra disse kræfter og bruger dem til aktivt at kontrollere sig selv? ”
Samarbejdsundersøgelsen samlet Aerospace Corporation's ekspertise inden for avanceret astrofysik, operationel logistik og simuleringer med Reeds egen ekspertise i AI-baserede computersøgeværktøjer. Holdet stolede også på Blue Waters supercomputer på University of Illinois for at sile gennem hundreder af tusinder af mulige baner og kombinationer af forstyrrelser.
Som Lake A. Singh, systemdirektøren for The Aerospace Corporation's Future Architectures-afdeling, forklarede:
”Vi udnyttede Aerospace's ekspertise med konstellationsdesign med Cornells ledelse inden for intelligent søgeanalyse og opdagede et operationelt gennemførligt alternativ til Draim konstellationsdesign. Disse konstellationsdesign kan give væsentlige fordele for mission planlæggere til koncepter på geostationære baner og videre. ”
Med tiden var teamet i stand til at indsnævre deres konstellationsdesign til to modeller. I det ene kan satellitterne gå i kredsløb i en 24-timers periode og opnå 86% global dækning. På den anden side ville satellitterne gå i kredsløb i en 48-timers periode og opnå 95% dækning. Mens begge var bløde over 100%, fandt holdet, at det at ofre en lille dækningsmargin ville føre til en betydelig kompromis.
Dette inkluderer evnen til at udnytte mere energi fra den samme gravitations- og solstråling, som normalt ville gøre satellitter vanskelige at kontrollere og forårsage, at deres baner forfalder. Derudover vil satellitoperatører være i stand til at kontrollere, hvor hullerne i dækningen ville opstå, og disse ville maksimalt vare i kun 80 minutter om dagen. Som Reed sagde, er denne udveksling det værd:
”Dette er en af de ting, hvor stræben efter perfektion rent faktisk kunne lette innovationen. Og du opgiver ikke rigtig et dramatisk beløb. Der kan være missioner, hvor du absolut har brug for dækning overalt på Jorden, og i disse tilfælde skulle du bare bruge flere satellitter eller netværkssensorer eller hybridplatforme. ”
Andre fordele ved denne type passiv satellitstyring inkluderer den måde, den potentielt kan forlænge en konstellations levetid fra 5 til 15 år. De ville også kræve mindre drivmiddel og ville være i stand til at flyde i højere højder, hvilket reducerer risikoen for påvirkning med rumfartøjer og andre kredsløbende genstande. Men det største salgsargument er, hvor omkostningseffektivt dette opsætning ville sammenlignes med konventionelle satellitkonstellationer.
Dette gør det især tiltalende for nationer eller kommercielle luftfartsselskaber, der ikke har de nødvendige økonomiske ressourcer til at indsætte store konstellationer.
”Selv en satellit kan koste hundreder af millioner eller milliarder af dollars, afhængigt af hvilke sensorer der er på den, og hvad dens formål er. Så det er ret pænt at have en ny platform, som du kan bruge på tværs af de eksisterende og nye opgaver. Der er et stort potentiale for fjernmåling, telekommunikation, navigation, sensing med høj båndbredde og feedback rundt omkring i rummet, og det udvikler sig meget, meget hurtigt. Der er sandsynligvis alle mulige applikationer, der kan drage fordel af en langvarig, selvtilpasende satellitkonstellation med næsten global dækning. ”
Denne undersøgelse løser ikke kun et løbende spørgsmål om satellitdækning og opretholdelse af konstellationer. Det står også til at drive fremskridt inden for telekommunikation, navigation og fjernmåling. I den nærmeste fremtid vil utallige satellitter blive sendt til rummet for at levere satellit-internet (SpaceXs Starlink-konstellation), gennemføre videnskabelige eksperimenter og overvåge Jordens atmosfære og overflade.
Mellem dette og relaterede betænkeligheder med hensyn til pladsrester vil det være meget praktisk at være i stand til at gøre mere med mindre (og for mindre penge)!
