Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Hình Thái Dựa Trên Đa Giác và Thu Thập Thông Tin Trong Mạng Cảm Biến Không Gian Dựa Trên Vệ Tinh
Tóm tắt
Mạng vệ tinh là một trong những nguồn thông tin chính và gần đây các vệ tinh nhỏ đang gây rất nhiều sự chú ý. Nhóm các vệ tinh nhỏ hình thành một mạng lưới phân tán làm việc hợp tác để hoàn thành nhiệm vụ. Các mạng này rất giống với mạng cảm biến không dây trên mặt đất về các nguồn lực hạn chế và khả năng giới hạn. Đôi khi, mạng vệ tinh nhỏ cũng được gọi là mạng cảm biến không dây dựa trên không gian (SBWSN). Trong bất kỳ mạng phân tán nào, việc hình thành và kiểm soát cấu trúc mạng đóng vai trò quan trọng. Điều này cũng đúng với SBWSN. Cấu trúc trong SBWSN quyết định khu vực bao phủ (tầm nhìn), thời gian bao phủ, dữ liệu thu thập và dữ liệu được truyền tới trạm mặt đất. Cấu trúc đề xuất là một mạng phân tán của các vệ tinh nhỏ được hình thành bởi đồ thị polyhedron ba đa thức, tạo thành một fullerene, được gọi là cấu trúc mạng dựa trên đa giác (PBNT). Nó bao gồm cả các mặt ngũ giác (Fp) và lục giác (Fh) cùng với K đồ thị đều sao cho K ≥ 3 với thể loại bằng 1. Nó cũng thỏa mãn công thức Euler với n đỉnh. Fullerene bao gồm các vòng đơn giản và mỗi vòng này hình thành nên cụm. Mỗi cụm được đại diện dưới dạng lưới tam giác, có thể là lồi tuyến tính hoặc phi tuyến, với đồ thị K kết nối cùng với chu trình có thể mở rộng Hamilton. Các nút/vệ tinh trên lưới tam giác đại diện cho các nút cảm biến (nút/vệ tinh có khả năng thấp), trong khi các đỉnh của vòng là các nút thu thập (nút/vệ tinh có khả năng cao hơn). Trong nghiên cứu này, cấu trúc được hình thành bởi các vệ tinh nhỏ (vệ tinh pico hoặc nano). Trong việc hình thành cấu trúc đề xuất, mạng được coi là mạng ảo với các láng giềng logic hình thành nên cụm. Mỗi nút trong cụm bao phủ một dải cụ thể trong một khoảng thời gian cụ thể dựa trên tải trọng nhiệm vụ và trên việc trải lưới p3. Trong mô phỏng, chúng tôi xem xét n vệ tinh nhỏ được đặt trong quỹ đạo thấp của trái đất (LEO), (trong đó n dao động từ 3 đến 150). Sự cải thiện hiệu suất được quan sát trong mô phỏng qua các thông số sau, (1) Diện tích Bao phủ: Diện tích bao phủ tăng lên khi nhiều vệ tinh có tầm nhìn khác nhau tại các thời điểm khác nhau. (2) Giảm khoảng trống: Mạng phân tán được đề xuất cũng tối thiểu hóa các khu vực chưa được bao phủ khi nhiều vệ tinh bao phủ vị trí mục tiêu tại các thời điểm khác nhau mà một vệ tinh lớn không thể thực hiện. (3) Tăng khả năng thông lượng dữ liệu: Mỗi vệ tinh trong mạng truyền tải dữ liệu khi nó ở gần điểm perigee. Khả năng thông lượng dữ liệu của mạng tăng lên, khi dữ liệu được truyền bởi nhiều vệ tinh. Do đó, khả năng thông lượng tăng gấp n lần. (4) Kết nối liên tục: Dữ liệu được một vệ tinh trong mạng thu thập được cung cấp cho vệ tinh khác thông qua truyền thông đa bước. Vì vậy, cấu trúc đề xuất cũng tăng cường tính kết nối liên tục giữa các vệ tinh và cũng với trạm mặt đất. (5) Tăng tuổi thọ và Độ tin cậy của Mạng: SBWSN hoàn thành nhiệm vụ ngay cả khi một hoặc nhiều vệ tinh gặp lỗi chức năng. Các vệ tinh trong mạng có thể tái cấu hình và tiếp tục thực hiện nhiệm vụ. Do đó, SBWSN cũng giảm thiểu nguy cơ thất bại của nhiệm vụ và đảm bảo tính đáng tin cậy của nhiệm vụ. Nhờ vào việc tái cấu hình mà tuổi thọ của mạng cũng được nâng cao. Cấu trúc đề xuất được sử dụng cho mạng các vệ tinh nhỏ (đặc biệt là vệ tinh nano và pico), cho phép vệ tinh một bảng có trọng lượng dưới 10 kg (vệ tinh pico dưới 1 kg và vệ tinh nano dưới 10 kg). Lợi thế của mạng các vệ tinh nhỏ này so với một vệ tinh lớn duy nhất là chi phí thấp và thời gian phát triển rút gọn, vì nó sử dụng các linh kiện thương mại có sẵn (COTS). Trong bài báo này, chúng tôi đề xuất kiến trúc mạng được hình thành bởi các cụm nhúng hình cầu được tạo ra từ polyhedron. Các đỉnh của polyhedron có cả mặt ngũ giác (Fp) và lục giác (Fh) với K đồ thị đều sao cho K ≥ 3, với thể loại bằng 1. Các đỉnh này của polyhedron hình thành nên các nút thu thập và các nút khác là các nút cảm biến. Ở đây, vệ tinh và nút được sử dụng thay thế cho nhau. Các nút cảm biến được sử dụng để thu thập dữ liệu (pico/nano), trong khi các nút thu thập là các nút có khả năng cao hơn thực hiện các thao tác tính toán phức tạp trong mạng (vệ tinh nano hoặc macro). Các nút cảm biến và nút thu thập truyền dữ liệu đến trạm mặt đất khi chúng ở gần điểm perigee. Mục tiêu chính của công trình nghiên cứu được đề xuất là trình diễn công nghệ về mạng vệ tinh nhỏ phân tán, chi phí thấp cho các quan sát trái đất thay thế cho một vệ tinh lớn duy nhất.
Từ khóa
#mạng vệ tinh #mạng cảm biến không dây #cấu trúc mạng #bao phủ #dữ liệu #vệ tinh nhỏTài liệu tham khảo
Kuruba, P., & Sutagundar, A. V. (2017). Emerging trends of space-based wireless sensor network and its applications. In N. Kamila (Ed.), Handbook of research on wireless sensor network trends, technologies, and applications (pp. 35–57). Hershey, PA: IGI Global. https://doi.org/10.4018/978-1-5225-0501-3.ch002.
Paul, J. R. (2011). Communication platform for inter-satellite links in distributed satellite systems Doctoral dissertation, University of Surrey, UK.
Shcilling, K. (2011). Networked distributed pico-satellite systems for earth observation and telecommunication applications.
Puig-Suari, J., Turner, C., & Twiggs, R. (2001). CubeSat: The development and launch support infrastructure for eighteen different satellite customers on one launch.
Vladimirova, T., Bridges, C. P., Prassinos, G., Wu, X., Sidibeh, K., Barnhart, D. J., & Maynard, K. (2007). Characterising wireless sensor motes for space applications. In Second NASA/ESA conference on adaptive hardware and systems (AHS 2007) (pp. 43–50). IEEE.
Burlacu, M. M., & Lorenz, P. (2010). A survey of small satellites domain: Challenges, applications and communications key issues.
Wang, J., Li, L., & Zhou, M. (2007). Topological dynamics characterization for LEO satellite networks. Computer Networks, 51(1), 43–53.
Draim, J. E., Cefola, P., & Castrel, D. (2000). Elliptical orbit constellations a new paradigm for higher efficiency in space systems. In 2000 IEEE aerospace conference. Proceedings (Cat. No. 00TH8484) (Vol. 7, pp. 27–35). IEEE.
Wood, L. (2001). Internetworking with satellite constellations. Doctoral dissertation, University of Surrey.
Christopher, P. (2009). Molniya system alternatives for geostationary satellite systems with applications to 72–100 GHz systems. In Proceedings Ka broadband conference (pp. 1–9).
Taormina, F. A. (1997). Application of Hughes Communications, Inc. for authority to launch and operate Spaceway NGSO, an NGSO expansion to the Spaceway global broadband satellite system. Filing with the US Federal Communications Commission, Hughes Communications, Inc, 22.
Elizondo, E., Gobbi, R., Modelfino, A., & Gargione, F. (1997). Evolution of the Astrolink system. In 17th AIAA international communications satellite systems conference and exhibit (p. 1208).
Vladimirova, T., Bridges, C. P., Paul, J. R., Malik, S. A., & Sweeting, M. N. (2010). Space-based wireless sensor networks: Design issues. In 2010 IEEE aerospace conference (pp. 1-14). IEEE.
Tafazoli, M. (2009). A study of on-orbit spacecraft failures. Acta Astronautica, 64(2–3), 195–205.
Boiardt, H., & Rodriguez, C. (2009). The use of Iridium’s satellite network for nanosatellite communications in low earth orbit. In 2009 IEEE aerospace conference (pp. 1–5). IEEE.
Mortari, D., & Wilkins, M. P. (2008). Flower constellation set theory. Part I: Compatibility and phasing. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 44(3), 953–962.
Davis, J. J., Avendaño, M. E., & Mortari, D. (2013). The 3-D lattice theory of flower constellations. Celestial Mechanics and Dynamical Astronomy, 116(4), 339–356.
Stephens, P., Cooksley, J., da Silva Curiel, A., Boland, L., Jason, S., Northham, J., & Machin, S. (2003). Launch of the international disaster monitoring constellation; The development of a novel international partnership in space. In Proceedings of international conference on recent advances in space technologies, 2003. RAST’03. (pp. 525–535). IEEE.
Xiang, W., & Jørgensen, J. L. (2005). Formation flying: A subject being fast unfolding in space. In 5th IAA symposium on small satellites for earth observation.
Presti, D., Herman, J., & Codazzi, A. (2004). Mission operations system design and adaptations for the twin-satellite mission GRACE. In Space OPS 2004 conference (p. 219).
Chen, Z., & Zeng, Y. (2013). A swarm intelligence networking framework for small satellite systems. Communications and Network, 171, 171–175.
Yeh, H. H., & Sparks, A. (2000). Geometry and control of satellite formations. In Proceedings of the 2000 American control conference. ACC (IEEE Cat. No. 00CH36334) (Vol. 1, No. 6, pp. 384–388). IEEE.
Nag, S., & Summerer, L. (2013). Behaviour based, autonomous and distributed scatter manoeuvres for satellite swarms. Acta Astronautica, 82(1), 95–109.
Martin, M., Klupar, P., Kilberg, S., & Winter, J. (2001). Techsat 21 and revolutionizing space missions using microsatellites.
Navabi, M., Barati, M., & Bonyan, H. (2013). Algebraic orbit elements difference description of dynamics models for satellite formation flying. In 2013 6th international conference on recent advances in space technologies (RAST) (pp. 277–280). IEEE.
Barth, D., & Raspaud, A. (1994). Two edge-disjoint Hamiltonian cycles in the butterfly graph. Information Processing Letters, 51(4), 175–179.
Guojun, L., & Chuanping, C. (1999). Disjoint Hamiltonian cycles in graphs. Australasian Journal of Combinatorics, 19, S3–S9.
Gorbenko, A., & Popov, V. (2012). The problem of finding two edge-disjoint Hamiltonian cycles. Applied Mathematical Sciences, 6(132), 6563–6566.