Методика оценки влияния пропускной способности каналов связи на эффективность функционирования группировки спутников

Использование низкоорбитальных группировок малых или сверхмалых спутников для решения задач дистанционного зондирования Земли представляется перспективным направлением развития космической деятельности. Реализация такой перспективы требует изучения широкого круга новых задач, одной из которых является разработка систем управления такими группировками. Принципиально новым аспектом в содержании этой задачи являются возможности использования связи между спутниками и сети связи космической системы в целом. При этом выбор подхода к разработке системы управления зависит от того, в каком режиме может происходить информационный обмен — в режиме реального времени или с временными задержками. В статье рассматриваются различные варианты орбитального построения группировок спутников, предопределяющие режимы информационного обмена. Объектом исследований является космическая система, в которой информационный обмен может происходить с временными задержками. Задачей исследований является разработка методики для оценки влияния пропускной способности сети связи на эффективность функционирования космической системы. Показателями эффективности являются оперативность выполнения заявок и производительность космической системы — объем данных, доставляемый группировкой спутников на Землю в течение определенного периода времени. Основой методики является имитационная модель, в которой моделируется функционирование спутников и объектов наземной инфраструктуры, использование разработанного прототипа системы управления и соответствующий информационный обмен в сети связи.

1. Петрукович А. А., Никифоров О. В. Малые спутники для космических исследований // Ракетно-космическое приборостроение и информационные системы. 2016. Т. 3, № 4. С. 21—31.

2. Дворкин Б. А. Импортозамещение в сфере геоинформационных технологий и ДЗЗ // Геоматика. 2015. № 1. С. 17—28.

3. Дворкин Б. А., Дудкин С. А. Новейшие и перспективные спутники дистанционного зондирования Земли // Геоматика. 2013. № 2. С. 16—36.

4. Лисицын А. Космические системы дистанционного зондирования земли зарубежных стран // Зарубежное военное обозрение. 2019. № 7. С. 63—67.

5. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_constellation

6. Mitry M. Routers in space // IEEE Spectrum.2020. № 2. P. 39—43.

7. Hanson J., Sanchez H., Oyadomari K. The EDSN Inter Satellite Communications Architecture // Proceedings of the AIAA/USU Conference on Small Satellites. 2014. SSC14-WS1.

8. Walker J. G. Satellite constellations // Journal of the British Interplanetary Society.1984. Vol. 37. P. 559—572.

9. Можаев Г. В. Синтез орбитальных структур спутниковых систем: Теоретико-групповой подход. М.: Машиностроение. 1989. 304 c.

10. Ulybyshev Y. Satellite constellation design for continuous coverage: short historical survey, current status and new solutions //5th International Workshop on Constellations and Formation Flying. 2008. URL: https://www.researchgate.net/publication/304715607_Satellite_constellation_design_for_continuous_coverage_short_historical_survey_current_status_and_new_solutions.

11. Wörle M. T., Lenzen C., Göttfert T., Spörl A., Grishechkin B., Mrowka F., Wickler M. The Incremental Planning System — GSOC’s Next Generation Mission Planning Framework // Proceedings of the 14-th International Conference on Space Operations. 2014.

12. Gottfert T., Lenzen C., Wörle M. T., Mrowka F., Wickler M. Robust Commanding // Proceedings of the 14-th International Conference on Space Operations. 2014.

13. Van der Horst J., Noble J. Task allocation in networks of satellites with Keplerian dynamics // Acta Futura 5. 2012. P. 143—151.

14. Iacopino C., Harrison S., Brewer A. Mission Planning Systems for Commercial Small-Sat Earth Observation Constellations // Proceedings of the 9th International Workshop on Planning and Scheduling for Space.2015. P. 45—52.

15. Maillard A.,Pralet C., Jaubert J., Sebbag I., Fontanari F., Hermitte J. Ground and board decision-making on data downloads // Proceedings of 25th International Conference on Automated Planning and Scheduling. 2015.

16. Lenzen C.,Woerle M. T., Göttfert T., Mrowka F., Wickler M. Onboard Planning and Scheduling Autonomy within the Scope of the Fire Bird Mission // Proceedings of the 14-th International Conference on Space Operations. 2014.

17. Kennedy A.,Marinan A., Cahoy K., Byrne J., Cordeiro T., Decker Z., Marlow W., Shea S., Blackwell W., DiLiberto M., Leslie R. V., Osaretin I., Thompson E., Dishop R. Automated Resource-Constrained Science Planning for the MiRaTA Mission // Proceedings of the AIAA/USU Conference on Small Satellites. 2015. SSC15-6-37.

18. Herz E., George D., Esposito T., Center K. Onboard Autonomous Planning System // Proceedings of the 14-th International Conference on Space Operations. 2014.

19. Chien S., Johnston M., Frank J., Giuliano M., Kavelaars A., Lenzen C., Policella N. A generalized timeline representation, services, and interface for automating space mission operations // Proceedings of the 12th International Conference on Space Operations. 2012.

20. URL: https://tools.ietf.org/pdf/draft-burleigh-dtnrg-cgr-01.pdf

21. Segui J., Jennings E., Burleigh S. Enhancing contact graph routing for delay tolerant space networking // Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference. 2011. P. 1—6.

22. Bezirgiannidis N., Caini C., Montenero D., Ruggieri M., Thaoussidis V. Contact graph routing enhancements for delay tolerant space communications // Proceedings of the 7th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 13th Signal Processing for Space Communications Workshop. 2014. P. 17—23.

23. Birrane E., Burleigh S., Kasch N. Analysis of the contact graph routing algorithm: bounding interplanetary paths // Acta Astronautica. 2012. Vol. 75. P. 108—119.

24. Madoery P., Fraire J., Finochietto J. Congestion management techniques for disruption-tolerant satellite networks // International Journal of Satellite Communications and Networking. 2018. Vol. 36. № 2. P. 165—178.

25. Marchese M., Patrone F. A source routing algorithm based on CGR for DTN-nanosatellite networks // Global Communications Conference, IEEE. 2017.

26. Silva A., Burleigh S., Hirata C., Obraczka K. A survey on congestion control for delay and disruption tolerant networks // Ad Hoc Networks. 2015. Vol. 25. Part B. P. 480—494.

27. Fraire J., Finochiento J. Design Challenges in Contact Plans for Disruption-Tolerant Satellite Networks // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53. P. 163—169.

28. Fraire J. Introducing Contact Plan Designer: A Planning Tool for DTN-Based Space-Terrestrial Networks // 6-th International Conference on Space Mission Challenge for Information Technology. 2017. P. 124—127.

29. Madoery P., Fraire J., Raverta F., Burleigh S. Managing Routing Scalability in Space DTNs // 6th IEEE International Conference on Wireless for Space and Extreme Environments. 2018.

30. Fraire J., Madoery P., Burleigh S., Feldmann S., Finochietto S., Charif A., Zergainoh N., Velazco R. Assessing Contact Graph Routing Performance and Reliability in Distributed Satellite Constellations // Journal of Computer Networks and Communications. 2017. Article ID 2830542. 18 p.

31. Карсаев О. В. Модификация CGR-алгоритма маршрутизации данных в коммуникационной сети группировки спутников // Мехатроника, управление, автоматизация.2020. Т. 21, № 2. C. 75—85.

32. Карсаев О. В. Автономное планирование задач наблюдения в группировке малых спутников // Известия ЮФУ. Технические науки. 2019. № 1. С. 118—132.

33. Карсаев О. В. Анализ оперативности информационных взаимодействий в низкоорбитальных многоспутниковых группировках // Труды СПИИРАН. 2019. Т. 18. № 4. С. 858—886.