Dissertations / Theses on the topic 'Artificial satellites Constellations'

Satellite constellations are an increasingly attractive option for many commercial and military applications. They provide a robust and distributed method of accomplishing the goals of expensive monolithic satellites. Among the many challenges that satellite constellations engender (challenges in control, coordination, disposal, and other areas), refueling is of particular interest because of the many methods one can use to refuel a constellation and the lifetime implications on the satellites. The present work presents a methodology for carrying out peer-to-peer refueling maneuvers within a constellation. Peer-to-peer (P2P) refueling can be of great value both in cases where a satellite unexpectedly consumes more fuel than it was alloted, and as part of a mixed refueling strategy that will include an outside tanker bringing fuel to the constellation. Without considering mixed-refueling, we formulate the peer-to-peer refueling problem as an assignment problem that seeks to guarantee that all satellites will have the fuel they need to be functional until the next refueling, while concurrently minimizing the cost in fuel that the refueling maneuvers entail. The assignment problem is then solved via auctions, which, by virtue of their distributed nature, can easily and effectively be implemented on a constellation without jeopardizing any robustness properties. Taking as a given that the P2P assignment problem has been solved, and that it has produced some matching among fuel deficient and fuel sufficient satellites, we then seek to sequence those prescribed maneuvers in the most effective manner. The idea is that while a constellation can be expected to have some redundancy, enough satellites leaving their assigned orbital slots will eventually make it impossible for the constellation to function. To tackle this problem, we define a wide class of operability conditions, and present three algorithms that intelligently schedule the maneuvers. We then briefly show how combining the matching and scheduling problems yields a complete methodology for organizing P2P satellite refueling operations.

Thesis (M. S.)--Aerospace Engineering, Georgia Institute of Technology, 2009.
Committee Chair: Panagiotis Tsiotras; Committee Member: Eric Feron; Committee Member: Joseph Saleh; Committee Member: Ryan Russell; Committee Member: William Cook

Thesis (MEng (Electrical Engineering))--Cape Peninsula University of Technology, 2017.
Real-time remote monitoring of Africa’s resources, such as water quality, by using terrestrial sensors is impeded by the limited connectivity over the vast rural areas of the continent. Without such monitoring, the effective management of natural resources, and the response to associated disasters such as flooding, is almost impossible. A constellation of nanosatellites could provide near real-time connectivity with ground-based sensors that are distributed across the continent. This study evaluates the high level development of a mission design for a near real-time remote monitoring CubeSat constellation and ground segment for in-situ monitoring in regions of interest on the African continent. This would facilitate management of scarce resources using a low-cost constellation. To achieve this, the design concept and operation of a Walker constellation are examined as a means of providing connectivity to a low bit rate sensor network distributed across geographic areas of interest in South Africa, Algeria, Kenya and Nigeria. The mission requirements include the optimisation of the constellation to maintain short revisit times over South Africa and an investigation of the required communications link to perform the operations effectively. STK software is used in the design and evaluation of the constellations and the communications system. The temporal performance parameters investigated are access and revisit times of the constellations to the geographic areas mentioned. The types of constellation configurations examined, involved starting with a system level analysis of one satellite. This seed satellite has known orbital parameters. Then a gradual expansion of two to twelve satellites in one, two and three orbital planes follows. VHF, UHF and S-band communication links are considered for low data rate in-situ monitoring applications. RF link budgets and data budgets for typical applications are determined. For South Africa, in particular, a total of 12 satellites evenly distributed in a two-plane constellation at an inclination of 39° provide the optimal solution and offer an average daily revisit time of about 5 minutes. This constellation provides average daily access time of more than 16 hours per day. A case study is undertaken that decribes a constellation for the provision of maritime vessel tracking in the Southern African oceans using the Automated Information System (AIS). This service supports the Maritime Domain Awareness (MDA) initiative implemented by the South African Government, under its Operation Phakisa.
National Research Foundation (NRF) French South African Institute of Technology (F’SATI)

Grâce au développement des techniques spatiales (GNSS, DORIS, laser et le VLBI), la géodésie apporte quantité d’informations sur la forme de la Terre (sa géométrie et sa gravité), sa rotation et son orientation dans l’espace, aux échelles globales comme aux échelles régionales. L’étude des déformations de chaînes de montagne par GPS, des courants marins cartographiés par altimétrie satellitaire, des variations temporelles du champ de gravité, ainsi que l’établissement du repère de référence terrestre international, sont les exemples de l’apport de ces techniques à l’observation de la Terre et au changement global. Notre travail a pour but de faire un bilan des erreurs résiduelles de la géodésie spatiale, en séparant les causes des effets. Le but est de montrer comment les erreurs d’orbite se propagent d’abord dans la trajectoire, puis dans des produits globaux comme le repère de référence (via les mesures de poursuite de satellites) et la surface topographique (via les mesures altimétriques). Nous avons développé une approche analytique qui traite du transfert des erreurs d’origines géométrique et dynamique. En partant des équations du mouvement orbital, nous proposons une solution analytique d’ordre un du mouvement orbital circulaire, qui est appliquée pour propager les erreurs de modèle dynamique. Ensuite, les résultats sont transférés (ou projetés) sur plusieurs types de fonction de mesure : l’altimétrie, les mesures de distance et les mesures de vitesse radiale. L’originalité de ce travail tient pour beaucoup dans les méthodes purement analytiques qui ont été développées spécifiquement pour effectuer les analyses
Thanks to the development of space techniques (GNSS, DORIS, laser and VLBI) geodesy provides amount of information to determine and to study the shape of the Earth (its geometry and its gravity), its rotation and orientation in space at global scales as well as at regional scales. The study of crustal deformations by using GPS, the ocean topography by satellite altimetry, the temporal variations of the gravity field (mass transports) as well as the construction and monitoring of the International Terrestrial Reference Frame (ITRF), are some examples of the contribution of these techniques to the Earth observation including the current global change. Our work aims to separate causes and consequences. We developed a dedicated approach in which different source of errors, of geometrical and dynamical natures, are treated by analytical expressions. Starting from the dynamical satellite equation of motion, we propose to integrate and propagate the model errors and then to project the results into different measurement functions: altimetry, tracking distances and radial velocities. It results in a complex but comprehensive way that enables the propagation of prediction errors into some general geodetic products as the terrestrial reference frame or the ocean surface topography. The originality of this work lies in the development of a purely analytical method for circular orbits, which has been used to propagate errors from dynamical models. In addition, the resulting orbit errors were projected at the measurement level in order to deduce the impacts on some global geodetic products

L'objectif de ces travaux est d'utiliser des liaisons intersatellites (InterSatellite Links) au sein d'une constellation de satellites d'observation autonomes en termes de planification, permettant ainsi aux satellites de communiquer entre eux et d'avoir une indépendance maximale par rapport au sol. Nous considérons donc un problème d'affectation de tâches (1) dynamique car des tâches d'observation asynchrones sont générées au cours de l'exécution, (2) distribué car chaque satellite ne connaît qu'un sous-ensemble des tâches à réaliser et (3) contraint en communication car les satellites ne peuvent communiquer que lorsque leurs orbites se croisent. Nous proposons une approche décentralisée en modélisant la constellation de satellites par un système multiagent. Chaque agent planifie individuellement, communique avec ses voisins et coopère avec eux par la suite. Pour cela, nous proposons une notion de connaissance commune et de confiance en cette connaissance fondées sur le modèle d'accointances de la constellation ainsi qu'une méthode décentralisée de formation de coalitions par référence. Cette approche coopérative a été validée expérimentalement en proposant des métriques permettant de caractériser la dimension multiagent du système. Les résultats expérimentaux montrent que notre approche permet non seulement aux constellations de satellites de réaliser plus rapidement plus de tâches d'observation mais aussi de réduire la taille des constellations mises en œuvre pour un même niveau de performance.

La radionavigation par satellite permet de déterminer sa position géographique et d'acquérir une référence temporelle à partir de signaux satellitaires, où que l'on soit sur le globe. L'Europe a décidé de mettre en place une constellation sous contrôle civil, Galileo, indépendante des systèmes existants américain et russe d'origine militaire. Le programme Galileo innove à bien des égards car il proposera différents types de services : un service de base pour les applications de masse, un service commercial payant et garanti, un service destiné aux applications critiques et un service crypté pour les applications stratégiques. Mais avant de fournir ces services le système devra être conçu, construit et positionné dans l'espace. La problématique de la responsabilité est centrale dans les activités spatiales où le risque sous toutes ses formes est omniprésent. La mise en place de la constellation implique des relations contractuelles entre chacun des acteurs, processus classique de gestion des risques dans le cadre des activités spatiales. L'exploitation de la constellation implique quant à elle une multitude de questions de responsabilité liées à la couverture mondiale des services, à leurs caractéristiques techniques et à la diversité des applications pouvant utiliser ces informations. Ainsi, en dehors du cas, peu probable, d'un retour accidentel sur terre d'un des satellites de la constellation pouvant causer directement des dégâts matériels, la défaillance des satellites pourra par exemple entraîner la dégradation voire l'interruption des signaux de navigation et provoquer indirectement des dommages de grande envergure pour les utilisateurs comme pour les tiers (crashs d'avions). Cet ensemble de risques d'exploitation nécessitera une gestion adaptée des responsabilités en fonction du type d'utilisateur, du type de service utilisé et des régimes d'indemnisation existants afin de satisfaire les victimes éventuelles (utilisateurs ou tiers) tout en préservant la santé économique du système.

La réduction des budgets du domaine spatial et les missions scientifiques traditionnelles ayant des coûts et une complexité croissants a amené la communauté scientifique à se concentrer sur les petits satellites qui fournissent non seulement des résultats scientifiques de valeur, mais permettent aussi de nouvelles applications dans le domaine de la télédétection, de la surveillance environnementale et des télécommunications. De plus, le concept de vol en formation de petits satellites est une technologie-clé pour beaucoup de missions spatiales futures, en améliorant la capacité de survie et réduisant le coût des missions. Ce travail de recherche a un double but : la proposition de modèles innovants de constellations de nano-satellites et de nouvelles approches de routage pour les réseaux de nano-satellites. Cette thèse propose et analyse trois modèles de constellations de nano-satellites dénommés NanoDREAM, NanoiCE et NanoSPHERE, qui fournissent des services de télécommunications aux régions éloignées. Le modèle NanoDREAM est conçu pour le Désert Salar de Uyuni en Bolivie, une région qui détient 70% de la réserve mondiale de lithium. Le modèle NanoiCE est destiné aux Régions Polaires, pour satisfaire les besoins de télécommunications de la communauté scientifique. Le modèle NanoSPHERE est conçu pour fournir une couverture globale de la Terre pour un marché de télécommunications concurrentiel. De plus, nous avons proposé une architecture pour le segment terrestre basée sur la technologie sans fil. Cette architecture a été déployée sur la zone d'exploitation du Désert Salar de Uyuni. Ces modèles ont été développés analytiquement et mis ensuite en œuvre dans le simulateur SaVi afin d'identifier la meilleure constellation satisfaisant les requis de la mission en terme de couverture et en réduisant au minimum le nombre de nano-satellites de la constellation. [...]

Le contexte dans lequel s'inscrivent ces travaux est le projet européen MUSIS, et plus précisément la gestion de satellites équipés d'instruments d'observation optique à haute résolution. Un premier objectif était de percevoir un algorithme capable de construire, en une seule passe et en un temps limité, un plan qui couvre toutes les activités de satellites agiles d'observation de la Terre (observation de zones au sol, manœuvres orbitales, pointage héliocentriques et géocentriques, vidage de données en parallèle, activations des instruments), qui respecte toutes les contraintes physiques (y compris celles liées à la trajectoire en attitude), et qui satisfasse autant que possible les requêtes d'utilisateurs. Le second objectif était de traiter la version dynamique du problème qui se pose lorsque des requêtes urgentes d'observation arrivent en cours d'exécution du plan journalier, en tenant compte des exigences de qualité et de stabilité des plans et de temps de calcul cette fois très limité. L'algorithme de planification élaboré est une succession de recherches chronologiques en avant, avec des règles de décision dédiées et des mécanismes de backtrack en cas de violation de contraintes. Une approche pragmatique a également été proposée pour résoudre le problème de replanification. Elle consiste à utiliser l'algorithme de planification journalière en jouant sur les priorités, les poids et les observations candidates. Un environnement expérimental intégrant les mécanismes de décision retenus a été développé. Les expérimentations effectuées sur des instances réalistes attestent des bonnes performances de l'algorithme en terme de calcul et de qualité des résultats, en modes planification et replanification.

Etablir le meilleur plan pour l'usinage d'un produit, le meilleur ordonnancement des activités de construction d'un bâtiment ou la meilleure tournée de véhicules pour la livraison des commandes, en prenant en compte diverses contraintes économiques, temporelles, humaines, ou même météorologiques : dans cette diversité d'applications, optimiser la planification est une tâche complexe par le grand nombre d'entités hétérogènes en interaction, la forte dynamique, les objectifs contradictoires à atteindre, etc. La planification de missions pour des constellations de satellites en est un exemple majeur : beaucoup de paramètres et de contraintes, souvent antagonistes, doivent être pris en compte, entraînant une importante combinatoire. Actuellement, en Europe, les plans de missions sont élaborés au sol, juste avant que le satellite ne soit visible par la station d'émission. Les requêtes arrivant durant la planification ne peuvent être traitées, et sont mises en attente. De plus, la complexité de ce problème croit drastiquement : le nombre de constellations et les satellites les composant augmentent, ainsi que le nombre de requêtes journalières. Les approches actuelles montrent leurs limites. Pour pallier à ces inconvénients, de nouveaux systèmes basés sur la décentralisation et la distribution inhérentes à ce genre de problèmes, sont nécessaires. La théorie des systèmes multi-agents adaptatifs (AMAS) et notamment le modèle AMAS4Opt (AMAS for Optimisation) ont montré leur adéquation pour la résolution de problèmes d'optimisation complexes sous contraintes. Le comportement local et coopératif des agents AMAS permet au système de s'auto-adapter à la forte dynamique et de fournir des solutions adéquates rapidement. Dans cette thèse, nous adressons la résolution de la planification des missions de satellites par AMAS. Pour cela, nous avons complété et enrichi les modèles d'agents proposés par AMAS4Opt. Nous avons ainsi développé le système de planification dynamique de missions ATLAS. Pour valider ATLAS sur divers critères, nous avons utilisé un grand nombre de données hétérogènes. Enfin, ce travail a été comparé à un système " opérationnel' " standard sur des scénarios réels, mettant en valeur les apports de notre système
Building the best plan in product treatment, the best schedule to a building construction or the best route for a salesman in order to visit a maximum of cities in the time allowed while taking into account different constraints (economic, temporal, humans or meteorological ): in all of those variety of applications, optimizing the planning is a complex task including a huge number of heterogeneous entities in interaction, the strong dynamics, multiple contradictory objectives, etc. Mission planning for constellations of satellites is a major example: a lot of parameters and constraints, often antagonists must be integrated, leading to an important combinatorial search space. Currently, in Europe, plans are built on ground, just before the satellite is visible by the ground stations. Any request coming during the planning process must wait for the next period. Moreover, the complexity of this problem grows drastically: the number of constellations and satellites increases, as the number of daily requests. Current approaches have shown their limits. To overcome those drawbacks, new systems based on decentralization and distribution inherent to this problem, are needed. The adaptive multi-agent systems (AMAS) theory and especially the AMAS4Opt (AMAS For Optimization) model have shown their adequacy in complex optimization problems solving. The local and cooperative behavior of agents allows the system to self-adapt to highly dynamic environments and to quickly deliver adequate solutions. In this thesis, we focus on solving mission planning for satellite constellations using AMAS. Thus, we propose several enhancement for the agent models proposed by AMAS4Opt. Then, we design the ATLAS dynamic mission planning system. To validate ATLAS on several criteria, we rely on huge sets of heterogeneous data. Finally, this work is compared to an operational and standard system on real scenarios, highlighting the value of our system

La résolution de Processus de Markov de grande dimension est habituellement basée sur le calcul hors ligne d'une approximation de la fonction de valeur optimale et sur son exploitation en ligne pour définir une politique a priori. Toutefois, quand l'espace d'états est très vaste et qu'aucune représentation structurée efficace n'est reconnue, le calcul d'une bonne approximation de la fonction de valeur optimale s'avère souvent être une tâche difficile. Nous proposons ici une approche alternative reposant sur la simulation stochastique du processus décisionnel depuis chaque état courant sur un certain horizon de raisonnement. Cette approche conduit à la définition en ligne d'une politique stochastique en remplacement de la politique a prioi traditionnelle. Nous proposons en particulier deux algorithmes pour contrôler l'allocation en ligne des simulations. Notre démarche a été validée sur une application proposée par le Centre National d'Etudes Spatiales concernant la maintenance d'une constellation de 32 satellites en orbite basse. Les actions à entreprendre définissent la préparation au sol de nouveaux satellites puis leur injection en orbite. L'objectif est de pallier efficacement les pannes affectant les satellites, qui, en raison de l'hostilité du milieu spatial, sont relativement fréquentes. Ce problème nous a conduit à mettre en oeuvre diverses techniques à base de simulations pour optimiser les politiques de maintenance. Les plus performantes de ces méthodes, combinant optimisation hors ligne et recherche en ligne, ont permis de diminuer les coûts simulés de maintenance de 26%.

As satellites become smaller, cheaper, and quicker to manufacture, constellation systems will be an increasingly attractive means of meeting mission objectives. Optimizing satellite constellation geometries is therefore a topic of considerable interest. As constellation systems become more achievable, providing coverage to specific regions of the Earth will become more common place. Small countries or companies that are currently unable to afford large and expensive constellation systems will now, or in the near future, be able to afford their own constellation systems to meet their individual requirements for small coverage regions. The focus of this thesis was to optimize constellation geometries for small coverage regions with the constellation design limited between 1-6 satellites in a Walker-delta configuration, at an altitude of 200-1500km, and to provide remote sensing coverage with a minimum ground elevation angle of 60 degrees. Few Pareto-frontiers have been developed and analyzed to show the tradeoffs among various performance metrics, especially for this type of constellation system. The performance metrics focus on geometric coverage and include revisit time, daily visibility time, constellation altitude, ground elevation angle, and the number of satellites. The objective space containing these performance metrics were characterized for 5 different regions at latitudes of 0, 22.5, 45, 67.5, and 90 degrees. In addition, the effect of minimum ground elevation angle was studied on the achievable performance of this type of constellation system. Finally, the traditional Walker-delta pattern constraint was relaxed to allow for asymmetrical designs. These designs were compared to see how the Walker-delta pattern performs compared to a more relaxed design space. The goal of this thesis was to provide both a framework as well as obtain and analyze Pareto-frontiers for constellation performance relating to small regional coverage LEO constellation systems. This work provided an in-depth analysis of the trends in both the design and objective space of the obtained Pareto-frontiers. A variation on the εNSGA-II algorithm was utilized along with a MATLAB/STK interface to produce these Pareto-frontiers. The εNSGA-II algorithm is an evolutionary algorithm that was developed by Kalyanmoy Deb to solve complex multi-objective optimization problems. The algorithm used in this study proved to be very efficient at obtaining various Pareto-frontiers. This study was also successful in characterizing the design and solution space surrounding small LEO remote sensing constellation systems providing small regional coverage.

Thesis (M.Com.(quantitative Management))
Satellite Scheduling Problems (SSP) are NP-hard and constraint programming and metaheuristics solution methods yield mixed results. This study investigates a new version of the SSP, the Satellite Constellation Time-Window Optimization Problem (SCoTWOP), involving commercial satellite constellations that provide frequent earth coverage. The SCoTWOP is related to the dual of the Vehicle Routing Problem with Multiple Timewindows, suggesting binary solution vectors representing an activation of time-windows. This representation fitted well with the MatLab® Genetic Algorithm and Direct Search Toolbox subsequently used to experiment with genetic algorithms, tabu search, and simulated annealing as SCoTWOP solution methods. The genetic algorithm was most successful and in some instances activated all 250 imaging time-windows, a number that is typical for a constellation of six satellites.
Quantitative Management