轨道边缘计算:纳米卫星星座作为新型计算机系统

当今成群飞行的自主纳米卫星簇协同工作,以克服空间的物理局限性和对地球的有限带宽。与上一代单片卫星引入的卫星通信相比,作者将此称为“轨道边缘计算

迈向大型纳米卫星的势头需要对空间系统进行重新想象,使其成为分布式,边缘感应和边缘计算系统。

卫星在变!

卫星曾经是大型的整体装置,例如500公斤,价值1.92亿美元的Earth Observing-1(EO-1)卫星。在过去的几十年中,/ nanosatellite /星座发生了很大的变化。纳米卫星通常为10厘米的立方体(对于“ CubeSat”标准而言),重量仅为几千克,成本为数千美元。

轨道边缘计算:纳米卫星星座作为新型计算机系统

CubeSat限制了设备可以包装的内容以及可用的电量。如果没有更高风险的可部署太阳能电池阵列,cubesat将依靠表面安装的太阳能电池板来收集能量。这导致大约7.1W的峰值可用功率。

今天的星座存在于数百个纳米卫星中,并且从地面重新配置这样的星座可能需要几个月的时间。具有成千上万个纳米卫星的星座正在发展中。

展望未来,我们预计将部署比纳米卫星还要小的卫星。芯片级或克级卫星(“ chipsats”)可以部署得更多,成本也更低。

旧的地面启动的命令和控制样式的系统不适用于这些更细粒度的系统。要了解原因,我们需要研究空间计算和通信的一些物理约束。

自身限制

我们已经看到,纳米卫星具有大约7W的功率,可以从环境中收集并存储在电池或超级电容器中。除了功率之外,音量是第二个关键限制因素,尤其是限制了您可以在机上打包的数量,以及相机可以实现的最佳焦距。

地面取样距离(GSD)它是轨道高度,相机焦距和像素传感器尺寸的函数。纳米卫星系统的GSD约为3.0m / px。对于GSD,越低越好。

卫星拍摄地面上称为/ ground track /的路径的图像。当它绕着地面轨迹移动时,理想的拍摄频率是每帧与前一帧完全相邻且没有重叠像素的频率。这称为地面跟踪帧速率(GTFR)。

为了获得足够的地面轨迹覆盖范围,卫星或星座必须在GTFR上单独或汇总捕获图像。

在弯曲的管道结构中,卫星收集并存储数据,直到它靠近地面站为止,然后再发送数据。这导致从捕获到接收数据最多可能延迟5.5小时。下行链路数据速率为200 Mbit / s的地面站在十分钟的会话中最多可以检索15GB的数据。即使在理想条件下,这种地面站每转只能支持9颗卫星。一个理想位置的站需要112个节点才能支持1000个节点的星座。

下行带宽随接收器增益而增加,随地面站的碟形直径而增加。由于立方体尺寸有限,因此无法通过这种方式增加接收器增益。因此,上行数据量约为每遍千字节

这不足以从数千个纳米卫星下载数据的带宽,也不足以通过上行链路有效地重新配置集群。卫星将不得不自己承担更多决策的责任,而不必等待来自地面站的命令,并且它们将不得不进行更多的机载数据处理,以更好地利用有限的下行链路带宽。

引入轨道边缘计算(OEC)

轨道边缘计算(OEC)就是为此目的而设计的。在计算纳米卫星管道(CNP)中,星座的成员之间划分了地面轨迹的覆盖范围和图像图块的处理。

CNP利用现有的编队飞行技术以固定配置运行,从而使整个星座的数据收集和处理并行化。

OEC Fig 4

利用机载图像处理来识别有趣的数据,可以将需要发送到地面站的15GB原始数据减少到大约0.75GB。200 Mbit / s的时间仅需30s。这样一来,地面站便可以为185节点服务。而不是每转仅服务9颗卫星。本地处理的特定形式取决于应用程序,但是它可以包括例如基于CNN的图像分类,对象检测,分段,甚至联合机器学习。仅发送数据中有趣部分的一般方案称为智能早期丢弃

OEC纳米卫星还运行本地软件进行自主控制,对卫星在时间和空间上的位置以及可达到的比特率进行建模,以确定何时进行通信以及进行何种通信(原始数据或经过处理的图像)。这消除了对在地面站发起并通过宝贵的上行链路带宽发送的命令和控制结构的依赖。

OEC系统的独特特征源于控制它们的天体动力学,与地面边缘计算系统相比存在根本差异。

编队飞行和编队处理

作者探索了与地面轨道框架(GTF)有关的纳米卫星形成的两种不同选择,以及对图像的并行处理的两种不同选择。结合起来,这将导致四种不同的OEC配置。

在以帧间隔的形式中,纳米卫星之间的距离恰好相隔一个GTF。帧间隔的一个有趣的变体是轨道间距,它可以将卫星均匀地分布在整个轨道上,从而改善了通信机会。

无论是帧间距还是近距,每个卫星如何处理图像帧都有两种选择。考虑将图像分成一组图块。通过帧并行处理,每个纳米卫星处理每个帧中的所有图块。使用并行的图块时,会将不同的图块段分配给不同的卫星,然后,它们仅处理自己的图块。

OEC Fig 5

使用Cote进行边缘计算

这些想法都打包在cote“第一个用于轨道边缘计算的完整系统模型”中。cote它具有两个主要组件:任务前仿真库和cote-lib纳米卫星软件堆栈中将包含的在线自主控制库()。

cote-lib在OEC设备上连续在后台运行,显式地模拟可用的地面站…[它]使OEC卫星实时适应不断变化的轨道和功率条件;对于高延迟的弯管地面控制来说,这种细粒度的适应是不可能的。

cote使用世界时(UT1)跟踪时间,该时间测量地球相对于遥远天文物体的旋转。它支持三种不同的坐标系:以地球为中心的惯性(ECI),纬度,经度和高度(LLH),以及南,东,z(SEZ)。在通过具有高增益窄天线波束的地面卫星建立通信链路时,对地球的真正扁圆特性进行建模非常重要。

给定时间和位置,cote可以使用轨道力学对相对于旋转地球的卫星状态进行建模。该简化的一般扰动模型(SGP4)被用作轨道力学发动机。SPG4是太空GPS!

了解它相对于地球的位置可以cote对任何给定时间点的下行链路,交叉链路和上行链路信道的最大可实现比特率建模。这可用于计划何时以及何时与地面通信。

评价

  • “使用倾斜度为97.3 ^ o $的250个纳米卫星群,弯曲的管道基本上是不可缩放的。”97.3Ø 倾斜轨道。”
  • 帧间隔和轨道间隔的星座下行链路传输的数据最多,这是由于下行链路争用减少了它们之间的距离。
  • 近距离星座图的有效带宽要低得多,但延迟也要低得多。这在实施并行方案尤为明显,在这种方案中,近距延迟减少了617倍!
  • 启用智能早期丢弃可以将所需的地面站数量减少24倍。

与弯曲管架构相比,作者证明了OEC架构可以将地面基础设施减少24倍,并且管道还可以将系统边缘处理延迟减少617倍。

文章:轨道边缘计算:纳米卫星星群作为一类新的计算机系统,Denby&Lucia,ASPLOS’20。

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