Uzaydan Bakış Değişiyor: Uydu Mega-Takımyıldızı Çağı Başlıyor
Uydu takımyıldızları uzun zamandır GPS navigasyonundan küresel internete ve uzay tabanlı keşiflere kadar her şeyi desteklemektedir. GPS, Glonass, Beidou ve Starlink gibi iyi bilinen sistemler, kesintisiz kapsama sağlamak için birlikte çalışan uydu filolarına dayanmaktadır. Şimdi, yeni nesil Alçak Dünya Yörüngesi (LEO) mega takımyıldızları, Dünya’yı gözlemleme ve en son uydu teknolojisini geliştirme şeklimizde devrim yaratmaya hazırlanıyor.
Ancak bu devasa takımyıldızları tasarlamak kolay değil. Bu, geleneksel analitik yöntemlerin çözmekte zorlandığı son derece karmaşık, doğrusal olmayan bir sorundur. İlk günlerde amaç basitti: uyduların gezegenin etrafında eşit bir kapsama alanı sunmasını sağlamak. Ancak bugün, takımyıldız tasarımı yüksek çözünürlüklü Dünya görüntüleme ve hızlı veri iletimi gibi özel uygulamaların taleplerini karşılamalıdır.
Space dergisinde yayınlanan yeni bir çalışma: Science & Technology’de yayınlanan yeni bir çalışma umut verici yeni bir çözüm sunuyor. Harbin Mühendislik Üniversitesi, Çin Uzay Teknolojisi Akademisi ve Stevens Teknoloji Enstitüsü’nden araştırmacılar LEO mega takımyıldızlarının tasarımı için yenilikçi bir yöntem ortaya koydular. Yaklaşımları, hem çekirdek hem de destekleyici uyduların yörüngelerini koordine etmeye odaklanarak daha akıllı, daha esnek konfigürasyonlara olanak tanıyor.
Ekibin yöntemi, görüntüleme alanı genişliği, uydu alt grupları arasında senkronize formasyon uçuşu ve yerleşik araçlar kullanılarak dengeli küresel kapsama gibi temel faktörleri dikkate alıyor.
Optimize edilmiş küresel kapsama için uydu gruplarının tanımlanması
Araştırmacılar filoyu iki türe ayırarak işe başladı: temel uydular ve eşlik eden uydular. Her temel uydu, küçük bir grup eşlik eden uydu tarafından çevrelenmiştir ve bu uydu grupları Dünya’nın etrafında eşit aralıklarla yerleştirilmiştir. Tüm temel uydular, alt uydu yörüngesi olarak bilinen aynı yer yolunu izleyerek tutarlı bir küresel kapsama alanı sağlar.
Bir temel uydu ve ona eşlik eden uydulardan oluşan bu kümelerin her biri, araştırmacıların uydu grubu olarak adlandırdığı yapıyı oluşturuyor. Tüm takımyıldız daha sonra bu grup yapısının gezegen etrafında birçok kez tekrarlanmasıyla oluşturuluyor.
Araştırmacılar bu temel uydular için en uygun yörüngeleri hesaplamak amacıyla regresyon yörüngesi olarak bilinen bir model kullandılar. Bu, bir uydunun D gün içinde Dünya etrafında tam olarak R yörüngeyi tamamladığı kesin irtifayı (yarı büyük eksen olarak adlandırılır) bulmayı içerir. Ayrıca, uyduların yörüngelerini zaman içinde sabit tutmak için Dünya’nın hafif düzensiz şekli gibi doğal yerçekimi etkilerini de hesaba kattılar.
Nihai LEO mega takımyıldızı konfigürasyonu. Kredi: Uzay: Bilim ve Teknoloji
Daha sonra ekip, her bir uydu grubunun Dünya yüzeyini ne kadar genişlikte tarayabileceğine baktı; bu da tüm dünyayı kapsamak için kaç yörünge yoluna ihtiyaç olduğunu belirliyor. Bunu Dünya’nın yarıçapını ve tarama genişliğini kullanarak hesapladılar ve hiçbir bölgenin dışarıda kalmamasını sağladılar.
Son olarak, uyduların gözlem taleplerine ne kadar hızlı yanıt vermesi gerektiğini değerlendirdiler. Kullanıcılar belirli bir süre içinde görüntü veya veriye ihtiyaç duyarlarsa, uydular en az bir tanesi her zaman yakınlarda olacak şekilde düzenlenmelidir. Bu, her yörünge yolunda kaç temel uyduya ihtiyaç duyulduğunu belirlemelerine yardımcı oldu.
Araştırmacılar, yörünge yüksekliği, zamanlama, uydu aralığı ve kapsama alanı gibi tüm bu faktörleri bir araya getirerek, yüksek performanslı mega takımyıldızlar tasarlamak için ayrıntılı bir yöntem oluşturdular.
Eşlik eden uydular için eliptik yörüngelerin tasarlanması
Eşlik eden uydulara gelince, bunlar temel uydularla yarı büyük eksene sahiptir. Clohessy-Wiltshire denklemine göre, temel uydular ve eşlik eden uydular arasındaki göreli hareket yörüngesi bir elipstir. Daha sonra, başlangıç zamanındaki ve T/2’deki konum vektörlerinin temel uyduya göre zıt yönlü olduğu göz önünde bulundurularak, ilk eşlik eden uyduların yörünge elemanları çözülebilir.
LEO mega takımyıldızının yörünge dağılımı. Kredi: Uzay: Bilim ve Teknoloji
Tek bir uydunun görüntüleme genişliğinin sd olduğu varsayılırsa, bir uydu grubundaki eşlik eden uydu sayısı Na = tavan(d/sd – 1) olur. İlk eşlik eden uydunun yörüngesini temel uydu yörünge koordinat sistemine göre kronolojik sırayla bölün, yörünge sistemi altındaki tüm eşit noktaların konum vektörlerini çıkarın ve bunları başlangıçta temel uydu yörünge sistemi altındaki diğer eşlik eden uyduların konum vektörleri olarak kullanın.
Temel ve eşlik eden uyduların yörüngeleri birleştirilerek mega takımyıldızın konfigürasyonu elde edilir.
Konfigürasyonları iyileştirmek için optimizasyon algoritmalarının uygulanması
Ardından, uydu ve refakatçilerinin yörünge parametreleri başlangıç değerleri olarak ayarlanır ve Yüksek Hassasiyetli Yörünge Yayıcı modeli altındaki hassas yörüngeler, Nondominated Sort Particle Swarm Optimization algoritması kullanılarak komşulukta çözülür. Herhangi bir temel uydunun yörünge elemanlarını {pxpq, pypq, pzpq, vxpq, vypq, vzpq} olarak kaydedilen konum ve hız bilgilerine dönüştürün. Komşuluklarını oluşturmak için {Δpxpq, Δpypq, Δpzpq, Δvxpq, Δvypq, Δvzpq} olarak ifade edilebilecek bir artış ekleyin.
Eşlik eden uydu yörüngesinin optimizasyon değişkeni tüm temel uyduların konum ve hız artışıdır. Temel uydu konfigürasyonu için f1 optimizasyon hedefi, i döngüsündeki herhangi bir temel uydu bspq’nin yükselen ve alçalan düğümleri ile bs1q’nin yükselen ve alçalan düğümleri arasındaki mutlak farkı mümkün olduğunca en aza indirmektir. Eşlik eden uydunun f2 optimizasyon hedefi, birden fazla takip eden hareket periyodunda temel uydu yörünge sistemi altında göreli konumu mümkün olduğunca yakın tutmaktır. Optimizasyon iterasyon süreci sürekli olarak Pareto cephesine yaklaşmayı içerir. Uygulamada, başlangıçtaki bireyin tüm baskın olmayan çözümlerini optimal çözüm kümesi olarak bulun.
Herkesin 2 optimizasyon hedefini sırayla hesaplayın ve en yakın küresel baskın olmayan bireyi ve kendi tarihsel baskın olmayan bireyini öğrenme nesneleri olarak kullanın. Bireysel optimizasyon değişkenlerini ve değişken artışlarını Şekil 10’da gösterildiği gibi popülasyon bilgisine, bireysel deneyime ve öz atalete dayalı olarak güncelleyin. Ardından yeni üretilen bireylerin f1 ve f2’sini yeniden hesaplayın ve global Pareto cephesini ve bireysel tarihsel Pareto cephesini yeniden oluşturun.
Sabit sayıda döngüden sonra veya amaç fonksiyonu eşikten düşük olduğunda iterasyon sona erer ve global Pareto cephesi elde edilebilir. Bu noktada, nihai takımyıldızı konfigürasyonu kullanıcı tercihlerine veya f1 ve f2’nin doğrusal süperpozisyonuna göre seçilebilir.
Son olarak, konfigürasyon tasarım yönteminin doğruluğu sayısal simülasyon ile doğrulanır. Simülasyonda takımyıldızın yörünge eğimi 66°, eksantriklik 0, perigee argümanı 0, simülasyon süresi 1 d, regresyon katsayısı Q = 15, ilk yükselen düğüm 0, ilk MA 0, uydu grubunun görüntüleme genişliği 1500 km, tek uydunun görüntüleme genişliği 140 km ve tek uydunun tek bir dairenin yörüngesinde maksimum çalışma süresi 35 dakika olarak ayarlanmıştır. Optimizasyon sırasında, ilk 100 nesilde Pareto cephesinin yaklaşma hızının son derece hızlı olduğu gözlemlenebilir.
İterasyon sayısı arttıkça, Pareto cephesinin değişimi giderek azalır ve sonunda kararlı hale gelir. Nihai çözüm olarak f1 = 1.981 ve f2 = 9516.482 değerlerini seçiyoruz ve takımyıldız konfigürasyonu Şekil 15’te gösterilmektedir. Takımyıldızda toplam 891 uydu bulunmaktadır; bunlardan 81 temel uydu eşit olarak dağıtılmıştır ve 10 eşlik eden uydu her bir temel uydunun etrafına eşit olarak dağıtılmıştır. Toplam 810 eşlik eden uydu, 35 dakika içinde kutup bölgesi dışındaki herhangi bir konumun ortak gözlemini gerçekleştirebilir.
Kaynak: https://scitechdaily.com