[論文レビュー] Autonomous Scheduling of Agile Spacecraft Constellations with Delay Tolerant Networking for Reactive Imaging

Sreeja Nag, Alan S. Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2020

Satellite Communication Systems参考文献 24被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、洪水のような一時的イベントのリアルタイムで反応的な撮影を可能にするために、遅延耐性ネットワーキング（DTN）を用いた、アグレッシブな衛星コンステラションのオンボード自律スケジューリングフレームワークを提案する。軌道力学、姿勢制御、およびDTNベースの衛星間通信を統合することで、非アグレッシブなコンステラションと比較して11.3倍の命令制御効率を達成し、シミュレーション試験では非DTNシステムと比較して21％の改善を示した。

ABSTRACT

Small spacecraft now have precise attitude control systems available commercially, allowing them to slew in 3 degrees of freedom, and capture images within short notice. When combined with appropriate software, this agility can significantly increase response rate, revisit time and coverage. In prior work, we have demonstrated an algorithmic framework that combines orbital mechanics, attitude control and scheduling optimization to plan the time-varying, full-body orientation of agile, small spacecraft in a constellation. The proposed schedule optimization would run at the ground station autonomously, and the resultant schedules uplinked to the spacecraft for execution. The algorithm is generalizable over small steerable spacecraft, control capability, sensor specs, imaging requirements, and regions of interest. In this article, we modify the algorithm to run onboard small spacecraft, such that the constellation can make time-sensitive decisions to slew and capture images autonomously, without ground control. We have developed a communication module based on Delay/Disruption Tolerant Networking (DTN) for onboard data management and routing among the satellites, which will work in conjunction with the other modules to optimize the schedule of agile communication and steering. We then apply this preliminary framework on representative constellations to simulate targeted measurements of episodic precipitation events and subsequent urban floods. The command and control efficiency of our agile algorithm is compared to non-agile (11.3x improvement) and non-DTN (21% improvement) constellations.

研究の動機と目的

• フラッシュ フロードのような時間的に敏感な地球観測イベントに、リアルタイムで自律的に反応できるアグレッシブな衛星コンステラションの実現を目的とする。
• 地上ベースの命令制御に依存するのを減らし、スケジューリングの知能を衛星に統合することを目的とする。
• 姿勢および軌道パラメータのオンボード最適化を通じて、コンステラションの反応性と再訪問レートを向上させることを目的とする。
• 低地球軌道コンステラションにおける、障害に強く耐性のある衛星間通信を実現するため、遅延耐性ネットワーキング（DTN）を統合することを目的とする。

提案手法

• 軌道力学、姿勢制御、およびリアルタイム最適化を統合したオンボードスケジューリングアルゴリズムを開発し、最適なスイープおよび撮影シーケンスを決定する。
• 遅延が生じやすい環境下でも耐性があり、ストレージ・フォワーディングによるデータルーティングを可能にする、DTNベースの通信モジュールを設計する。
• 異なるセンサー仕様、制御能力、撮影要件を有するさまざまな小型衛星コンステラションに適用可能な汎用的な最適化フレームワークを策定する。
• 一時的イベントのシナリオ下での性能を評価するために、代表的な軌道および姿勢ダイナミクスを用いてコンステラション運用をシミュレートする。
• 地上の干渉なしに各衛星が自らの撮影スケジュールを計算・実行できる自律意思決定を可能にする。
• 一時的降水量および都市内洪水イベントのテストベッドシミュレーションを用いて、フレームワークの応答性と効率性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アグレッシブな衛星コンステラションは、地上の干渉なしに、時間的に敏感な地球観測イベントに自律的かつリアルタイムで対応できるか？
• RQ2 遅延が生じやすい宇宙環境下で、スケジューリングの調整を実現するため、DTNは衛星間通信の信頼性をどのように向上させるか？
• RQ3 オンボード自律スケジューリングは、地上ベースのスケジューリングと比較して、命令制御効率をどのように向上させるか？
• RQ4 DTNと自律スケジューリングの統合は、一時的イベントの再訪問時間とカバレッジをどの程度向上させるか？
• RQ5 提案されたフレームワークは、センサーや制御能力が異なる多様な小型衛星コンステラションに一般化可能か？

主な発見

• 自律スケジューリングフレームワークは、非アグレッシブなコンステラションと比較して11.3倍の命令制御効率を達成し、時間的に敏感なイベントへの対応速度が顕著に向上した。
• 通信アーキテクチャにDTNを組み込むことで、非DTN構成と比較して21％の運用効率の向上が得られ、リンク障害が生じる状況下でも信頼性が向上した。
• オンボードスケジューリングアルゴリズムにより、地上ベースの命令更新なしに、一時的降水量および都市内洪水イベントのリアルタイムで反応的な撮影が成功した。
• フレームワークは、異なるセンサー仕様、制御能力、撮影要件を有するさまざまな小型衛星コンステラションに一般化可能であることが示された。
• シミュレーション結果から、オンボードの自律意思決定が遅延を低減し、再訪問頻度を増加させることで、動的地球イベントの迅速な検出が可能になることが確認された。