Escalonamento de tarefas orientado a energia para garantia de qualidade de serviço em constelações de pequenos satélites

Abstract

Com o advento dos pequenos satélites, tornam-se cada vez mais acessíveis as constelações espaciais. Como consequência da menor área superficial e volume reduzido, respectivamente, a geração e armazenamento de energia em pequenos satélites possuem limitações, o que impulsiona indústria e a comunidade científica ao encontro de meios de aprimoramento da qualidade de serviço (QoS). Neste contexto, esta pesquisa apresenta uma ferramenta de planejamento de missões multi-satélite, constituída de uma formulação de Programação Inteira Mista (MIP), que modela as principais características e dificuldades deste tipo de missão por meio de restrições de gerenciamento de energia disponível, além de tarefas com prioridades dinâmicas, quantidades de inicializações, de tempo de execução, além da possibilidade de execução simultânea ou redundante nos múltiplos satélites. O modelo considera tarefas coletivas, que podem ser realizadas por quaisquer satélites, e tarefas individuais, destinadas a um único satélite. Baseada nesta divisão e fundamentada no estado-da-arte sobre otimização multiobjetivo, a formulação possibilita a análise da fronteira de Pareto, que viabiliza a avaliação do trade-off entre a QoS da constelação e das tarefas individuais. Cenários distintos foram simulados, considerando diferentes quantidades de satélite, modelos multiobjetivo, bem como encorajamento de redundância, o que reforçou a vasta aplicabilidade e adaptabilidade do modelo a requisitos distintos. Os resultados revelaram uma relação exponencial entre o tempo de resolução em função da quantidade de satélites, sendo esta relação mais acentuada quando considerado, na função objetivo, o termo de redundância. Mesmo assim, todos os cenários foram resolvidos em tempo inferior à duração da órbita simulada, sendo a maior duração pouco superior a 20 minutos na simulação de uma constelação com 5 satélites, órbita de 96 minutos, 20 tarefas individuais e 5 tarefas coletivas com redundância estimulada. Além disso, observou- se que o estímulo de execução redundante das tarefas coletivas não exerce influência significativa sobre a QoS coletiva nem a individual. Entende-se que os resultados apresentados viabilizam o modelo como uma ferramenta de auxílio à tomada de decisão para operadores de missões multi-satélite.

Abstract: With the advent of small satellites, space constellations have become increasingly accessible. As a result of the smaller surface area and reduced volume, the generation and storage of energy in small satellites have limitations, which drives the industry and the scientific community to find ways to improve the quality of service (QoS). In this context, this research presents a multi- satellite mission planning tool, consisting of a Mixed Integer Programming (MIP) formulation, which models the main characteristics and difficulties of this type of mission through restrictions of: energy management; and tasks with dynamic priorities, initialization amounts, execution time, in addition to the possibility of simultaneous or redundant execution on multiple satellites. The model considers two main types of tasks: collective tasks, which can be performed by any satellite, and individual tasks, targeting a single satellite. Based on this division and the state-of-the-art on multi-objective optimization, the formulation allows the analysis of the Pareto frontier, which enables the evaluation of the trade-off between the QoS of the constellation and the QoS of the individual tasks. Different scenarios were simulated, considering different amounts of satellite, multi-objective models, and stimulated redundancy, which reinforced the vast applicability and adaptability of the model to different requirements. The results revealed an exponential relationship between the resolution time as a function of the number of satellites, this relationship is more accentuated when considering, in the objective function, the redundancy term. Even so, all scenarios were solved faster than the orbit duration, the longest duration being approximately 20 minutes in the simulation of a constellation with 5 satellites, 96 minutes orbit, 20 individual tasks and 5 collective tasks with stimulated redundancy. Furthermore, it was observed that the stimulus of redundant execution of collective tasks does not exert a significant influence on the collective or individual QoS. It is understood that the results presented enable the model to be used as a decision-making tool for operators of multi-satellite missions.