[논문 리뷰] Autonomous Scheduling of Agile Spacecraft Constellations with Delay Tolerant Networking for Reactive Imaging

Sreeja Nag, Alan S. Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 20.

Satellite Communication Systems참고 문헌 24인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 홍수와 같은 일시적 사건에 실시간으로 반응하는 영상 촬영을 가능하게 하기 위해 지연 내성 네트워킹(DTN)을 사용한 고도로 유연한 위성 기반 복합체를 위한 실시간 자율 스케줄링 프레임워크를 제안한다. 궤도 역학, 자세 제어 및 DTN 기반 위성 간 통신을 통합함으로써, 비유연한 복합체 대비 명령 및 제어 효율성이 11.3배 향상되었고, 시뮬레이션 실험에서 비-DTN 시스템 대비 21% 향상된 성능을 기록하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 화재나 홍수와 같은 시간 민감도가 높은 지구 관측 사건에 대해 고도로 민첩한 위성 복합체가 실시간으로 자율적으로 대응할 수 있도록 하는 것.
• 지상 기반 명령 및 제어에 대한 의존도를 줄이기 위해 스케줄링 지능을 위성에 내장하는 것.
• 자세 및 궤도 파ameters의 현장 최적화를 통해 복합체의 반응성과 재방문 주기를 향상시키는 것.
• 저궤도 복합체에서 지연에 민감한 환경에서도 신뢰성 있고 내구성이 뛰어난 위성 간 통신을 가능하게 하기 위해 지연 내성 네트워킹(DTN)을 통합하는 것.

제안 방법

• 궤도 역학, 자세 제어 및 실시간 최적화를 통합한 실시간 스케줄링 알고리즘을 개발하여 최적의 기울임 및 영상 촬영 순서를 결정하는 것.
• 지연이 발생하기 쉬운 환경에서 유연한 위성 간의 안정적이고 저장-전달 방식의 데이터 라우팅을 가능하게 하기 위해 DTN 기반 통신 모듈을 설계하는 것.
• 다양한 소형 위성 복합체에 적용 가능한 일반화된 최적화 프레임워크를 수립하는 것.
• 일시적 사건 시나리오에서 성능을 평가하기 위해 실제 궤도 및 자세 역학을 기반으로 복합체 운영을 시뮬레이션하는 것.
• 지상 간섭 없이 각 위성이 자체적으로 영상 스케줄을 계산하고 실행할 수 있도록 자율적 의사결정을 가능하게 하는 것.
• 일시적 강우 및 도시 홍수 사건을 대상으로 한 테스트베드 시뮬레이션을 통해 반응성과 효율성을 평가하기 위해 프레임워크를 검증하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고도로 민첩한 위성 복합체는 지상 간섭 없이 시간 민감도가 높은 지구 관측 사건에 대해 어떻게 자율적이고 실시간으로 대응할 수 있는가?
• RQ2 지연이 발생하기 쉬운 우주 환경에서 스케줄링 조율를 위한 안정적인 위성 간 통신을 가능하게 하는 데 DTN가 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ3 현장에서 자율적 스케줄링은 지상 기반 스케줄링 대비 명령 및 제어 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 DTN와 자율적 스케줄링의 통합은 일시적 사건에 대한 재방문 시간과 커버리지에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 제안된 프레임워크는 다양한 센서 및 제어 능력을 갖춘 다양한 소형 위성 복합체에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 자율적 스케줄링 프레임워크는 비유연한 복합체 대비 명령 및 제어 효율성이 11.3배 향상되어 시간 민감도가 높은 사건에 대한 반응 속도가 크게 향상되었다.
• 통신 아키텍처에 DTN를 통합함으로써 비-DTN 구성 대비 운영 효율성이 21% 향상되어 고장 발생 가능성이 높은 링크 조건에서도 신뢰성이 향상되었다.
• 현장 스케줄링 알고리즘이 지상 기반 명령 업데이트 없이도 일시적 강우 및 도시 홍수 사건에 대해 실시간으로 반응하는 영상 촬영을 성공적으로 수행하였다.
• 프레임워크는 다양한 센서 사양, 제어 권한 및 영상 요구사항을 갖춘 다양한 소형 위성 복합체에 대해 일반화 가능성이 입증되었다.
• 시뮬레이션 결과는 현장 자율적 의사결정이 지연을 감소시키고 재방문 빈도를 증가시켜 동적인 지구 사건을 더 빨리 탐지할 수 있음을 확인하였다.