novtexmechМехатроника, автоматизация, управлениеMekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie1684-64272619-1253Commercial Publisher «New Technologies»10.17587/mau.26.488-498novtexmech-1813Research ArticleДИНАМИКА, БАЛЛИСТИКА И УПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЕМ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВDYNAMICS, BALLISTICS AND CONTROL OF AIRCRAFTОбзор методов оперативного планирования разнородных орбитальных группировок космических аппаратов дистанционного зондирования Земли и связиThe Review of Methods for Operational Planning of Heterogeneous Orbital Constellations of Earth Remote Sensing and Communication SatellitesГалузинВ. А.GaluzinV. A.

В. А. Галузин, канд. техн. наук, доц.

Самара

 

Galuzin V. A., PhD, Associate Professor

Samara, 443100

vladimir.galuzin@gmail.comГалицкаяА. В.GalitskayaA. V.

А. В. Галицкая, аспирант

Самара

A. V. Galitskaya

Samara, 443100

an14215@yandex.ruЕвсеевВ. П.EvseevV. P.

В. П. Евсеев, студент

Самара

V. P. Evseev

Samara, 443086

vivseev@gmail.comСкобелевП. О.SkobelevP. O.

П. О. Скобелев, д-р техн. наук, проф.

Самара

P. O. Skobelev

Samara, 443100

petr.skobelev@gmail.comСамарский государственный технический университетРоссияSamara State Technical UniversityRussian FederationСамарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. КоролеваРоссияSamara National Research University named after Academician S. P. KorolevRussian Federation202504092025269488498Copyright © Commercial Publisher «New Technologies», 20252025Commercial Publisher «New Technologies»Commercial Publisher «New Technologies»https://mech.novtex.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://mech.novtex.ru/jour/article/view/1813

Выполнен обзор существующих научных работ, посвященных проблеме планирования работы разнородных орбитальных группировок. Актуальность планирования работы таких группировок обусловлена рядом факторов, связанных с быстрым развитием космических технологий и увеличением числа спутников на орбите. Современные орбитальные группировки состоят из космических аппаратов разных типов, предназначенных для выполнения разнообразных задач: дистанционного зондирования Земли, связи, навигации и других. Эти спутники могут принадлежать разным операторам и иметь различные технические характеристики, что делает процесс их эффективного использования крайне сложным и трудоемким. Кроме того, планирование работы разнородных группировок актуально в контексте растущего числа коммерческих и государственных спутников, что создает высокую конкуренцию за ресурсы космического пространства. Рациональное планирование позволяет минимизировать затраты, улучшить качество предоставляемых услуг и повысить безопасность эксплуатации космических аппаратов.

В связи с этим в последнее время стремительно растет число методов планирования работы орбитальных группировок космических аппаратов, которые могут эффективно учитывать их разнородность и обеспечивать скоординированную работу.

Данная работа продолжает ранее выполненный обзор публикаций, вышедших до 2019 г., и фокусируется на развитии методов за последние пять лет, с 2019 по 2024 г. Дается постановка задачи создания цифровой платформы, которой в управление передаются орбитальные группировки разных производителей для выполнения заявок от потребителей. Проводится анализ существующих подходов к планированию группировок космических аппаратов и показываются их преимущества и недостатки, а также даются оценки возможности их реализации на практике для решения поставленной задачи. На основе результатов проведенного анализа обосновываются выводы о необходимости разработки нового подхода к планированию работы орбитальных группировок. Представлены предложения для дальнейших исследований и методов и средств планирования при разработке космических аппаратов.

This study provides a review of existing scientific works on the problem of scheduling heterogeneous orbital constellations. The relevance of planning the operation of such constellations is driven by several factors related to the rapid development of space technologies and the increasing number of satellites in orbit. Modern orbital constellations consist of spacecraft of various types designed to perform different tasks: Earth remote sensing, communications, navigation, and others. These satellites may belong to different opera tors and have varying technical specifications, which makes their efficient utilization extremely complex and labor-intensive. Furthermore, the planning of heterogeneous constellations is particularly relevant in the context of the growing number of commercial and government satellites, creating high competition for space resources. Rational planning enables minimizing costs, improving the quality of services provided, and enhancing the safety of spacecraft operations. In this regard, there has been a rapid increase recently in the number of spacecraft scheduling methods that can effectively account for the heterogeneity of orbital constellations and ensure their coordinated operation. This work continues the previously conducted review of publications released up to 2019 and focuses on the development of methods over the last five years, from 2019 to 2024. The study formulates the task of creating a digital platform that manages orbital constellations from different manufacturers to fulfill requests from users. An analysis of existing approaches to planning spacecraft constellations is carried out, highlighting their advantages and disadvantages, as well as evaluating their practical feasibility for solving the stated task. Based on the results of the analysis, conclusions are drawn regarding the need to develop a new approach to scheduling the operation of orbital constellations. Proposals are made for further research and development of methods and tools for spacecraft scheduling.

орбитальные группировкикосмические аппаратыназемные станцииобъекты наблюдениядистанционное зондирование Землисистемы спутниковой связиметоды планированиямультиагентные технологииorbital constellationsspacecraftground stationsobservation objectsEarth remote sensingsatellite communication systemsplanning methodsmulti-agent technologiesReferencesКушнер Э. И., Насыров И. Р. Космическая программа многоспутниковых систем "Сфера" // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2023. Т. 1. С. 166—168.Kushner E. I., Nasyrov I. R. A space program of multisatellite systems "Sphere", Aktualnye problemy aviacii i kosmonavtiki, 2023, vol. 1, pp. 166—168 (in Russian).Иванов А. С. Политика развития отечественного ракетостроения // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2023. Т. 3. С. 990—992.Ivanov A. S. The policy of development of domestic rocket engineering, Aktualnye problemy aviacii i kosmonavtiki, 2023, vol. 3, pp. 990—992 (in Russian).Макеров А. И., Аниканова М. А., Тараканов Ю. А., Соловьев Д. А. Тезисы к докладу на тему "Решение задачи автоматизации комплексного планирования целевого применения разнородной орбитальной группировки КА ДЗЗ" // Материалы 18-й Всероссийской открытой конференции "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". М.: ИКИ РАН, 2020. C. 437.Makerov A. I., Anikanova M. A., Tarakanov Yu. A., Solovyev D. A. Abstracts for the report on the topic "Solution to the problem of automating the integrated planning of the targeted use of heterogeneous Earth remote sensing satellite constellations", Materialy 18-j Vserossijskoj otkrytoj konferencii "Sovremennye problemy distancionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa”, Moscow, IKI RAS, 2020, p. 437 (in Russian).McDowell J. C. The low earth orbit satellite population and impacts of the SpaceX Starlink constellation // The Astrophysical Journal Letters. 2020. Vol. 892, N. 2. P. L36.McDowell J. C. The low earth orbit satellite population and impacts of the SpaceX Starlink constellation, The Astrophysical Journal Letters, 2020, vol. 892, no. 2, pp. L36.Галузин В. А, Кутоманов А. Ю., Матюшин М. М., Скобелев П. О. Обзор современных методов планирования работы перспективных космических систем // Мехатроника, автоматизация, управление. 2020. Т. 21, № 11. C. 639—650.Galuzin V. A., Kutomanov A. Yu., Matyushin M. M., Skobelev P. O. Overview of Modern Methods for Planning the Operation of Advanced Space Systems, Mekhatronika, Avtomatizatsiya, Upravlenie, 2020, vol. 21, no. 11, pp. 639—650 (in Russian).Barkaoui M., Berger J. A New Hybrid Genetic Algorithm for the Collection Scheduling Problem for a Satellite Constellation // Journal of the Operational Research Society. 2019. Vol.71, N. 9. P. 1390—1410.Barkaoui M., Berger J. A New Hybrid Genetic Algorithm for the Collection Scheduling Problem for a Satellite Constellation, Journal of the Operational Research Society, 2019, vol. 71, no. 9, pp. 1390—1410.Chen Y., Xu M., Shen X., Zhang G., Lu Z., Xu J. A MultiObjective Modeling Method of Multi-Satellite Imaging Task Planning for Large Regional Mapping // Remote Sensing. 2020. Vol. 12, N. 3. P. 344.Chen Y., Xu M., Shen X., Zhang G., Lu Z., Xu J. A MultiObjective Modeling Method of Multi-Satellite Imaging Task Planning for Large Regional Mapping, Remote Sensing, 2020, vol. 12, no. 3, p. 344.Yingjie X., Xiaolu L., Renjie H., Yingguo Ch. Multisatellite scheduling framework and algorithm for very large area observation // Acta Astronautica. 2020. Vol. 167. P. 93—107.Yingjie X., Xiaolu L., Renjie H., Yingguo Ch. Multisatellite scheduling framework and algorithm for very large area observation, Acta Astronautica, 2020, vol. 167, pp. 93—107.Gu Y., Han C., Chen Y., Liu S., Wang X. Large Region Targets Observation Scheduling by Multiple Satellites Using Resampling Particle Swarm Optimization // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2023. Vol. 59, N. 2. P. 1800—1815.Gu Y., Han C., Chen Y., Liu S., Wang X. Large Region Targets Observation Scheduling by Multiple Satellites Using Resampling Particle Swarm Optimization, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2023, vol. 59, no. 2, pp. 1800—1815.Kaiping L. A Hybrid Binary Artificial Bee Colony Algorithm for the Satellite Photograph Scheduling Problem // Engineering Optimization. 2019. Vol. 52, N. 8. P. 1421—1440.Kaiping L. A Hybrid Binary Artificial Bee Colony Algorithm for the Satellite Photograph Scheduling Problem, Engineering Optimization, 2019, vol. 52, no. 8, pp. 1421—1440.Гордеев А. В. Многокритериальное планирование многоспутниковой орбитальной группировки малых космических аппаратов дистанционного зондирования Земли при обслуживании групповой наземной цели // Имитационное моделирование. Теория и практика (ИММОД-2023): Сборник трудов одиннадцатой всероссийской научно-практической конференции по имитационному моделированию и его применению в науке и промышленности, Казань, 18—20 октября 2023 года. Казань: Издательство АН РТ, 2023. С. 580—590.Gordeev A. V. Multicriteria Planning of a Multisatellite Orbital Grouping of Small Remote Sensing Spacecraft for the Service of a Group Ground Target, Imitacionnoe modelirovanie. Teoriya i praktika (IMMOD-2023), Kazan, Publishing house of AN RT, 2023, pp. 580—590 (in Russian).Емельянов А. А., Малышев В. В., Смольянинов Ю. А., Старков А. В. Формализация задачи оперативного планирования целевого функционирования разнотипных космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // Труды МАИ. 2017. № 96. С. 11.Emelyanov A. A., Malyshev V. V., Smolyaninov Yu. A., Starkov A. V. The formalization of the task of operational planning for the target functioning of various types of Earth remote sensing spacecraft, Trudy MAI, 2017, no. 96, p. 11 (in Russian).Григорьев А. Н., Дудин Е. А., Комраков Д. Н. Модель многомаршрутной оптико-электронной съемки площадного объекта из космоса // Труды Военно-космической академии имени А. Ф. Можайского. 2021. № 678. С. 68—77.Grigoryev A. N., Dudin E. A., Komrakov D. N. A model of multi-route optoelectronic imaging of a large-area object from space, Trudy Voenno-kosmicheskoj akademii imeni A. F. Mozhajskogo, 2021, no. 678, pp. 68—77 (in Russian).Henn S. M., Fraire J. A., Hermanns H. Polygon-Based Algorithms for N-Satellite Constellations Coverage Computing // IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 2023. Vol. 59, N. 5. P. 7166—7182.Henn S. M., Fraire J. A., Hermanns H. Polygon-Based Algorithms for N-Satellite Constellations Coverage Computing, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2023, vol. 59, no. 5, pp. 7166—7182.Комаровский А. Ю. Планирование целевого применения группировки космических аппаратов дистанционного зондирования Земли // III Молодежные чтения имени М. В. Келдыша: Сборник трудов Научной конференции, Москва, 23—26 мая 2023. М.: ООО "МАКС Пресс", 2023. С. 76—88.Komarovsky A. Yu. Planning of the target application of the grouping of spacecraft for remote sensing of the Earth, Keldysh readings: collection of works, Moscow, MAKS Press, 2023, pp. 76—88 (in Russian).Yang Y., Liu D. Distributed Imaging Satellite Mission Planning Based on Multi-Agent // IEEE Access. 2023. Vol. 11. P. 65530—65545.Yang Y., Liu D. Distributed Imaging Satellite Mission Planning Based on Multi-Agent, IEEE Access, 2023, vol. 11, pp. 65530—65545.Галузин В. А. Разработка моделей, методов и средств создания цифровой платформы согласованного планирования целевого применения гетерогенных группировок малых космических аппаратов дистанционного зондирования земли // Вестник Самарского государственного технического университета. Серия: Технические науки. 2022. Т. 30, № 1(73). С. 20—45.Galuzin V. A. Development of models, methods and tools for creating a digital platform for agreed planning of heterogeneous group of small space satellites for remote Earth sensing, Vestnik of Samara State Technical University. Technical Sciences Series, 2022, vol. 30, no. 1, iss. 73, pp. 20—45 (in Russian).Попов Д. Г., Оркин В. В., Ледянкин И. А., Антонов Д. А. Моделирование процесса сбора и обработки данных космическим аппаратом дистанционного зондирования земли в зависимости от фоноцелевой обстановки // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023. № . 4. С. 80—86.Popov D. G., Orkin V. V., Ledyankin I. A., Antonov D. A. Modeling of the process of data collection and processing by the Earth remote sensing spacecraft depending on the backgroundtarget situation, Izvestiya TulGU. Technical Sciences, 2023, no. 4, pp. 80—86 (in Russian).Sazonov V., Sazonova S., Samylovskiy I. Scalable RealTime Planning and Optimization Software Complex for the Purposes of Earth Remote Sensing // IFAC-PapersOnLine, Yekaterinburg, 2018. RUS: Elsevier Science Publishing Company, Inc., 2018. Vol. 51, Iss. 32. P. 451—455.Sazonov V., Sazonova S., Samylovskiy I. Scalable RealTime Planning and Optimization Software Complex for the Purposes of Earth Remote Sensing, IFAC-PapersOnLine, Yekaterinburg, 2018, RUS: Elsevier Science Publishing Company, Inc., 2018, vol. 51, iss. 32, pp. 451—455.Farges J. L., Perotto F. S., Pralet C., Picard G., Lussy C. Going Beyond Mono-Mission Earth Observation: Using the MultiAgent Paradigm to Federate Multiple Missions // 23rd International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS-24), May 2024, Auckland, New Zealand. P. 2674—2678.Farges J. L., Perotto F. S., Pralet C., Picard G., Lussy C. Going Beyond Mono-Mission Earth Observation: Using the MultiAgent Paradigm to Federate Multiple Missions, 23rd International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS-24), May 2024, Auckland, New Zealand, 2024, pp. 2674—2678.Завьялова Н. А., Негодяев С. С., Кузнецов А. А., Завьялов И. Н., Фукин И. И., Семака В. Ю., Гришин П. А. Программный комплекс "Интеграл" для моделирования космических группировок и космических аппаратов // Космические аппараты и технологии. 2023. № 2. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/programmnyy-kompleks-integraldlya-modelirovaniya-kosmicheskih-gruppirovok-i-kosmicheskihapparatov (дата обращения: 22.01.2025).Zavyalova N. A., Negodyaev S. S., Kuznetsov A. A., Zavya lov I. N., Fukin I. I., Semaka V. Yu., Grishin P. A. Software package "Integral" for modeling space constellations and space vehicles, Spacecrafts & Technologies, 2023, no. 2, URL: https://cyberleninka.ru/article/n/programmnyy-kompleks-integral-dlyamodelirovaniya-kosmicheskih-gruppirovok-i-kosmicheskih-apparatov (date of access 22.01.2025) (in Russian).Kassem M., Nishanth S. xeoverse: A Real-time Simulation Platform for Large LEO Satellite Mega-Constellations // IFIP Networking Conference (IFIP Networking). 2024. P. 1—9. URL: https://arxiv.org/pdf/2406.11366Kassem M., Nishanth S. xeoverse: A Real-time Simulation Platform for Large LEO Satellite Mega-Constellations, IFIP Networking Conference (IFIP Networking), 2024, pp. 1—9, available at: https://arxiv.org/pdf/2406.11366.Yang Z., Tian F., Jin J., Liu H. Rethinking LEO MegaConstellation Routing to Provide Fast Internet Access Services // Sensors. 2023. Vol. 23, N. 6. P. 3207.Yang Z., Tian F., Jin J., Liu H. Rethinking LEO MegaConstellation Routing to Provide Fast Internet Access Services, Sensors, 2023, vol. 23, no. 6, p. 3207.Gorodetsky V., Skobelev P. System engineering view on multi-agent technology for industrial applications: barriers and prospects // Cybernetics and Physics. 2020. Vol. 9, N. 1. P. 13—30.Gorodetsky V., Skobelev P. System engineering view on multi-agent technology for industrial applications: barriers and prospects, Cybernetics and Physics, 2020, vol. 9, no. 1, pp. 13—30.Galitckaya A., Galuzin V., Guskov R., Laryukhin V., Miatov G., Novichkov D., Skobelev P. Emergent Intelligence Platform for Developing Autonomous Resource Management Systems // 2024 International Conference on Computing in Natural Sciences, Biomedicine and Engineering (COMCONF), August 2024, Shanghai, China. P. 112—118.Galitckaya A., Galuzin V., Guskov R., Laryukhin V., Miatov G., Novichkov D., Skobelev P. Emergent Intelligence Platform for Developing Autonomous Resource Management Systems, 2024 International Conference on Computing in Natural Sciences, Biomedicine and Engineering (COMCONF), August 2024, Shanghai, China, 2024, pp. 112—118.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.