A Multi-Objective Optimization Approach to Balancing Trade-Offs in Regional LEO Satellite Link Design for the New Space Era

Abstract

Aquest estudi va determinar amb èxit els paràmetres de disseny òptims per a un sistema regional de satèl·lits en Òrbita Terrestre Baixa (LEO) dedicat a la transmissió de dades d'Observació de la Terra (EO) de manera rendible. Mitjançant l'ús d'un marc d'optimització multiobjectiu, vam explorar els compromisos entre eficiència econòmica, comunicació fiable i capacitat de transmissió de dades. Els fronts de Pareto resultants proporcionen idees valuoses sobre les configuracions de satèl·lits més efectives per a diversos escenaris regionals. Conclusions Clau: Efectivitat de l'Optimització Multiobjectiu: L'algoritme NSGA-II va identificar de manera efectiva vectors de disseny que equilibraven els paràmetres orbitals i les especificacions tècniques, aconseguint configuracions òptimes de satèl·lits que simultàniament assolien eficiència econòmica, QoS i capacitat. Solucions Rendibles i Eficients: Les òrbites a altituds més baixes amb un major nombre de satèl·lits ofereixen una solució més rendible i eficient, proporcionant un QoS suficient i capacitat de dades mentre es redueixen els costos de llançament. Rendiment d'OPT vs. RF: Tot i que els sistemes OPT són lleugerament més cars, ofereixen una capacitat de transmissió de dades i una eficiència energètica significativament superiors. L'OPT és especialment adequat per a regions amb condicions meteorològiques favorables, com l'Uzbekistan, on les altes taxes de transferència de dades i l'eficiència energètica són essencials per a aplicacions com l'agricultura. Optimització Regional: La tria entre OPT i RF depèn de les condicions atmosfèriques regionals. L'OPT és menys adequat per a regions amb condicions meteorològiques desafiants, com Catalunya, on la RF ofereix més resistència a condicions adverses. Col·laboració Transfronterera: Compartir recursos terrestres, com les estacions d'observació terrestre, entre països presenta oportunitats per optimitzar les operacions satèl·lites. Això podria beneficiar regions amb condicions meteorològiques menys favorables.

Compliment dels Objectius de Recerca i Preguntes: L'estudi va abordar amb èxit els objectius esmentats al Capítol 1 i les preguntes de recerca plantejades al començament. En concret: * Va identificar configuracions de satèl·lits que minimitzen els costos mentre mantenen un rendiment satisfactori. * Va maximitzar el marge d'enllaç per garantir una comunicació robusta i fiable. * Va aconseguir la capacitat de transmissió de dades requerida, especialment mitjançant l'ús de la tecnologia OPT. * Va determinar els paràmetres orbitals òptims, el nombre de satèl·lits i les especificacions adequades. Conclusió: Aquest estudi subratlla la importància d'equilibrar els paràmetres orbitals, el nombre de satèl·lits i la tecnologia de comunicació per optimitzar el rendiment en mètriques econòmiques, tècniques i operatives. Els resultats demostren que configuracions de satèl·lits seleccionades amb cura poden proporcionar solucions efectives en diverses regions geogràfiques, reforçant la robustesa del marc proposat. Aquestes idees ofereixen una valuosa guia per desenvolupar serveis regionals de satèl·lits escalables i rendibles.

Este estudio determinó con éxito los parámetros de diseño óptimos para un sistema regional de satélites en órbita baja terrestre (LEO) dedicado a la transmisión de datos de Observación Terrestre (EO) de manera rentable. Al emplear un marco de optimización multiobjetivo, exploramos los compromisos entre eficiencia económica, comunicación confiable y capacidad de transmisión de datos. Los frentes de Pareto resultantes proporcionan valiosas ideas sobre las configuraciones de satélites más efectivas para varios escenarios regionales. Hallazgos Clave: Efectividad de la Optimización Multiobjetivo: El algoritmo NSGA-II identificó eficazmente vectores de diseño que equilibran los parámetros orbitales y las especificaciones técnicas, lo que llevó a configuraciones óptimas de satélites que logran simultáneamente eficiencia económica, QoS y capacidad. Soluciones Rentables y Eficientes: Las órbitas a altitudes más bajas con un mayor número de satélites ofrecen una solución más rentable y eficiente, proporcionando una QoS suficiente y capacidad de datos mientras se reducen los costos de lanzamiento. Rendimiento de OPT frente a RF: Aunque los sistemas OPT son ligeramente más costosos, ofrecen una capacidad de transmisión de datos y eficiencia energética significativamente mayores. OPT es particularmente adecuado para regiones con condiciones meteorológicas favorables, como Uzbekistán, donde las altas tasas de transferencia de datos y la eficiencia energética son esenciales para aplicaciones como la agricultura. Optimización Regional: La elección entre OPT y RF depende de las condiciones atmosféricas regionales. OPT es menos adecuado para regiones con condiciones meteorológicas desafiantes, como Cataluña, donde RF ofrece mayor resistencia a condiciones adversas. Colaboración Transfronteriza: Compartir recursos terrestres, como estaciones de observación terrestres, entre países presenta oportunidades para optimizar las operaciones satelitales. Esto podría beneficiar a regiones con condiciones meteorológicas menos favorables.

Logro de los Objetivos de Investigación y Preguntas: El estudio abordó con éxito los objetivos delineados en el Capítulo 1 y las preguntas de investigación planteadas al inicio. En particular:

* Identificó configuraciones de satélites que minimizan costos mientras mantienen un rendimiento satisfactorio. * Maximizó el margen de enlace para garantizar una comunicación robusta y confiable. * Alcanzó la capacidad de transmisión de datos requerida, particularmente mediante el uso de tecnología OPT. * Determinó los parámetros orbitales óptimos, el número de satélites y las especificaciones. Conclusión: Este estudio enfatiza la importancia de equilibrar los parámetros orbitales, el número de satélites y la tecnología de comunicación para optimizar el rendimiento en métricas económicas, técnicas y operativas. Los resultados demuestran que configuraciones de satélites cuidadosamente seleccionadas pueden proporcionar soluciones efectivas en diversas regiones geográficas, reforzando la solidez del marco propuesto. Estos conocimientos ofrecen una valiosa guía para desarrollar servicios regionales de satélites escalables y rentables.

This study successfully determined the optimal design parameters for a cost-effective regional Low Earth Orbit (LEO) satellite system dedicated to Earth Observation (EO) data transmission. By employing a multi-objective optimization framework, we explored trade-offs between economic efficiency, reliable communication, and data throughput capacity. The resulting Pareto fronts provide valuable insights into the most effective satellite configurations for various regional scenarios. Key Findings: Multi-Objective Optimization Effectiveness: The NSGA-II algorithm effectively identified design vectors that balance orbital parameters and technical specifications, leading to optimal satellite configurations that simultaneously achieve economic efficiency, QoS, and capacity. Cost-Effective and Efficient Solutions: Lower altitude orbits with a higher number of satellites offer a more cost-effective and efficient solution, providing sufficient QoS and data capacity while reducing launch costs. OPT vs. RF Performance: While OPT systems are slightly more expensive, they offer significantly higher data throughput and power efficiency. OPT is particularly suitable for regions with favorable weather conditions, such as Uzbekistan, where high data transfer rates and power efficiency are essential for applications like agriculture. Regional Optimization: The choice between OPT and RF depends on regional atmospheric conditions. OPT is less suitable for regions with challenging weather, like Catalonia, where RF offers greater resilience to adverse conditions. Cross-Border Collaboration: Sharing ground resources, such as ground observation stations, between countries presents opportunities for optimizing satellite operations. This could benefit regions with less favorable weather conditions.

Achievement of Research Objectives and Questions: The study successfully addressed the objectives outlined in Chapter 1 and the research questions posed at the outset. Specifically, it:

* Identified satellite configurations that minimize costs while maintaining satisfactory performance. * Maximized the link margin to ensure robust and reliable communication. * Achieved the required data throughput capacity, particularly through the use of OPT technology. * Determined optimal orbital parameters, satellite count, and specifications. Conclusion: This study emphasizes the importance of balancing orbital parameters, satellite count, and communication technology to optimize performance across economic, technical, and operational metrics. The results demonstrate that carefully selected satellite configurations can provide effective solutions across diverse geographic regions, reinforcing the robustness of the proposed framework. These insights offer valuable guidance for developing scalable and cost-effective regional satellite services.