[论文解读] 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 25

一句话总结

本文提出了一种基于迟延容忍网络（DTN）的星上自主调度框架，用于敏捷卫星星座，以实现实时、动态响应突发事件（如洪水）的成像。通过整合轨道力学、姿态控制与基于DTN的星间通信，该系统在模拟试验中实现比非敏捷星座高11.3倍的指令与控制效率，且相比非DTN系统提升21%。

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.

研究动机与目标

• 实现敏捷卫星星座对时间敏感的地球观测事件（如短时洪水）的实时、自主响应。
• 通过将调度智能移至卫星星上，减少对地面指挥与控制的依赖。
• 通过星上优化姿态与轨道参数，提升星座的响应速度与重访率。
• 集成迟延容忍网络（DTN）以实现在低地球轨道星座中可靠、抗中断的星间通信。

提出的方法

• 开发了一种星上调度算法，整合轨道力学、姿态控制与实时优化，以确定最优机动与成像序列。
• 设计了一种基于DTN的通信模块，实现在延迟高、链路不稳定环境下的可靠、存储-转发数据路由。
• 构建了一个可推广的优化框架，适用于具有不同传感器规格、控制权限与成像需求的各类小型卫星星座。
• 利用具有代表性的轨道与姿态动力学模型模拟星座运行，评估其在突发事件场景下的性能表现。
• 通过允许每颗卫星自主计算并执行自身成像计划，实现无需地面干预的自主决策。
• 利用突发性降水与城市洪水事件的测试平台仿真，验证了该框架在响应速度与效率方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 敏捷卫星星座如何在无地面干预的情况下实现对时间关键型地球观测事件的自主、实时响应？
• RQ2 在延迟高、链路不稳定的空间环境中，DTN在实现星间通信以支持调度协调方面发挥何种作用？
• RQ3 与基于地面的调度相比，星上自主调度在提升指令与控制效率方面有何优势？
• RQ4 DTN与自主调度的集成在多大程度上提升了对突发性事件的重访时间与覆盖范围？
• RQ5 所提出的框架是否可推广至具有不同传感器与控制能力的多样化小型卫星星座？

主要发现

• 自主调度框架相比非敏捷星座实现了11.3倍的指令与控制效率提升，显著加快了对时间敏感事件的响应速度。
• 在通信架构中引入DTN使运行效率相比非DTN配置提升了21%，在链路中断条件下显著增强了可靠性。
• 星上调度算法成功实现了对突发性降水与城市洪水事件的实时、动态成像，无需依赖地面指令更新。
• 该框架在具有不同传感器规格、控制权限与成像需求的小型卫星星座中均表现出良好的可推广性。
• 仿真结果证实，星上自主决策显著降低了延迟并提高了重访频率，从而实现了对动态地球事件的更快探测。