LEO satellite constellations for autonomous system operation in the Arctic region : situational awareness and communication aspects

Yastrebova-Castillo, Anastasia (2024-09-18)
 
Avaa tiedosto
Lataukset: 

URL:
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202406244883

Yastrebova-Castillo, Anastasia
Oulun yliopisto
18.09.2024
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Näytä kaikki kuvailutiedot
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202406244883

Kuvaus

Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Programme Committee of Information Technology and Electrical Engineering of the University of Oulu for public defence in the OP auditorium (L10), Linnanmaa, on 25 September 2024, at 10 a.m.
Tiivistelmä
Abstract

This doctoral thesis comprises a summary of novel results concentrated on low Earth orbit satellite constellation design for situational awareness and communication applications for autonomous mobile systems, namely vessels and vehicles. The concept of situational awareness in this thesis incorporates the ability to monitor the environment, to react to situations and act accordingly in a timely manner. The communication aspects include the ability to communicate the data between interested parties in a reliable matter with respect to the key performance indicators of an application.

The main contributions of this thesis are as follows. Firstly, the thesis analyses the requirements for mobile autonomous systems, reviews different satellite systems and their constellation design methods, and discusses simulation tools applicable in designing satellite constellations.

Secondly, the thesis provides guidelines and a methodology for the constellation design, including novel contributions for application-specific sustainable designs that can be used when developing Earth observation and communications systems. Moreover, new tools are developed that combine satellite propagation models and allow detailed link and network analysis. In particular, the thesis presents a newly developed tool for satellite-terrestrial communications for network traffic analysis. Metrics such as the age of data, coverage and revisit time of satellites provide the means to optimise the design. Satellite constellation design for communication purposes includes metrics such as delay, throughput, packet delivery probability and availability of the satellites to communicate the data.

Thirdly, using the developed methodology and tools, the thesis provides results in selected studies including interference management between satellite and terrestrial networks and end-to-end networking to support defined autonomous system applications. The studies include performance analysis of real satellite systems such as Starlink and Iridium, as well as analysis of other systems using simulations.

The current development trend in the satellite industry is in LEO constellations, multi-layer networks and integrated satellite-terrestrial systems. Therefore the methods and solutions in the thesis are targeted towards such complex systems.
 
Tiivistelmä

Tässä väitöskirjassa luodaan yhteenveto tuloksista koskien matalan kiertoradan satelliittiryhmien kehittelyä autonomisten liikkuvien järjestelmien (alusten ja ajoneuvojen) tilannetietoisuus- ja viestintäsovelluksia varten. Käsite ’tilannetietoisuus’ tarkoittaa tässä väitöskirjassa kykyä tarkkailla ympäristöä sekä reagoida tilanteisiin oikealla tavalla ja oikea-aikaisesti. Viestintä taas tarkoittaa kykyä välittää tietoa osapuolten välillä luotettavasti ja sovelluksen keskeisiä suorituskykyindikaattoreita hyödyntäen.

Aluksi väitöskirjassa analysoidaan autonomisille liikkuville järjestelmille asetettavia vaatimuksia, vertaillaan satelliittijärjestelmiä ja satelliittiryhmien suunnittelumenetelmiä sekä tarkastellaan satelliittiryhmien kehittelyyn soveltuvia simulointityökaluja.

Sen jälkeen edetään pääsisältöön, jossa luodaan suuntaviivoja ja metodologiaa satelliittiryhmien suunnitteluun sekä esitellään kestäviä sovelluskohtaisia ratkaisuja maahavainnointi- ja viestintäjärjestelmien kehitystyöhön. Väitöskirjassa selostetaan myös uusia menetelmiä satelliittien etenemisen seurantaan ja nykyistä yksityiskohtaisempia linkki- ja verkostomalleja. Uusi työkalu satelliittien ja maa-asemien väliseen viestintään verkkoliikenteen analysoimiseksi on julkaisun tärkeintä antia. Kehiteltyä satelliittiryhmien suunnittelumenetelmää käytettiin kehitettäessä 22 satelliittia käsittävä maahavainnointijärjestelmä, joka kykenee kuvantamaan halutun alueen lähes reaaliajassa hyperspektriteknologian avulla. Datan iän ja kattavuuden sekä satelliittien uudelleenkäynnin ajan kaltaiset mittarit ovat keino optimoida kehitystyötä. Satelliittiryhmien suunnittelu viestintätarkoituksiin käsittää suunnittelumittareita, kuten viiveen ja paketin toimituksen todennäköisyyden.

Lopuksi väitöskirjassa tarkastellaan keskeisen metodologian ja keinovalikoiman pohjalta tutkimuksia, joissa käsitellään satelliittien ja maa-asemien välisen yhteyden häirinnän estämistä ja päästä-päähän verkostoitumista tuettaessa erikseen määriteltyjä autonomisia järjestelmiä satelliittijärjestelmien avulla (Iridium ja Starlink) sekä vertaillaan järjestelmiä simulointien ja mittausten keinoin.

Tällä hetkellä satelliittien valmistajat kehittelevät erityisesti matalan kiertoradan satelliittiryhmiä, monitasoisia verkostoja ja satelliittien ja maa-asemien välisiä integroituja järjestelmiä. Väitöskirjassa tarkasteltavat menetelmät ja ratkaisut onkin ensisijaisesti tarkoitettu tämänkaltaisiin vaativiin järjestelmiin.
 

Original papers

  1. Yastrebova, A., Höyhtyä, M., & Majanen, M. (2019). Mega-constellations as enabler of autonomous shipping. Advances in Communications Satellite Systems. 37th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC-2019), 1–7. https://doi.org/10.1049/cp.2019.1212 https://doi.org/10.1049/cp.2019.1212

  2. Ullah, M. A., Yastrebova, A., Mikhaylov, K., Höyhtyä, M., & Alves, H. (2022). Situational awareness for autonomous ships in the arctic: mMTC direct-to-satellite connectivity. IEEE Communications Magazine, 60(6), 32–38. https://doi.org/10.1109/MCOM.001.2100810 https://doi.org/10.1109/MCOM.001.2100810

    Self-archived version

  3. Yastrebova, A., Ojanperä, T., Mäkelä, J., & Höyhtyä, M. (2021). Hybrid connectivity for autonomous vehicles: Conceptual view & initial results. 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), 1–6. https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448866 https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448866

  4. Yastrebova-Castillo, A., Höyhtyä, M., Majanen, M., Ojanperä, T., Scholliers, J., & Rantala, S. J. (2023). Improving the safety of autonomous driving by using Direct-to-Satellite connectivity: The case of Iridium and Starlink satellite constellations. 2023 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN), 40–46. https://doi.org/10.1109/CSCN60443.2023.10453196 https://doi.org/10.1109/CSCN60443.2023.10453196

  5. Yastrebova, A., Angervuori, I., Okati, N., Vehkaperä, M., Höyhtyä, M., Wichman, R., & Riihonen, T. (2020). Theoretical and simulation-based analysis of terrestrial interference to LEO satellite uplinks. GLOBECOM 2020 - 2020 IEEE Global Communications Conference, 1–6. https://doi.org/10.1109/GLOBECOM42002.2020.9347980 https://doi.org/10.1109/GLOBECOM42002.2020.9347980

  6. Yastrebova, A., Höyhtyä, M., Boumard, S., Lohan, E. S., & Ometov, A. (2021). Positioning in the Arctic region: State-of-the-art and future perspectives. IEEE Access, 9, 53964–53978. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3069315 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3069315

  7. Boumard, S., Yastrebova, A., Höyhtyä, M., Lasanen, M., & Karttaavi, T. (2023). Constellation and data link design for a nano-satellite Earth observation system. 39th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC 2022), 169–175. https://doi.org/10.1049/icp.2023.1382 https://doi.org/10.1049/icp.2023.1382

  8. Yastrebova, A., Anttonen, A., Lasanen, M., Vehkaperä, M., & Höyhtyä, M. (2021). Interoperable simulation tools for satellite networks. 2021 IEEE 22nd International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM), 304–309. https://doi.org/10.1109/WoWMoM51794.2021.00056 https://doi.org/10.1109/WoWMoM51794.2021.00056

  9. Höyhtyä, M., Boumard, S., Yastrebova, A., Järvensivu, P., Kiviranta, M., & Anttonen, A. (2022). Sustainable satellite communications in the 6G era: A European view for multilayer systems and space safety. IEEE Access, 10, 99973–100005. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206862 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206862

 

Osajulkaisut

  1. Yastrebova, A., Höyhtyä, M., & Majanen, M. (2019). Mega-constellations as enabler of autonomous shipping. Advances in Communications Satellite Systems. 37th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC-2019), 1–7. https://doi.org/10.1049/cp.2019.1212 https://doi.org/10.1049/cp.2019.1212

  2. Ullah, M. A., Yastrebova, A., Mikhaylov, K., Höyhtyä, M., & Alves, H. (2022). Situational awareness for autonomous ships in the arctic: mMTC direct-to-satellite connectivity. IEEE Communications Magazine, 60(6), 32–38. https://doi.org/10.1109/MCOM.001.2100810 https://doi.org/10.1109/MCOM.001.2100810

    Rinnakkaistallennettu versio

  3. Yastrebova, A., Ojanperä, T., Mäkelä, J., & Höyhtyä, M. (2021). Hybrid connectivity for autonomous vehicles: Conceptual view & initial results. 2021 IEEE 93rd Vehicular Technology Conference (VTC2021-Spring), 1–6. https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448866 https://doi.org/10.1109/VTC2021-Spring51267.2021.9448866

  4. Yastrebova-Castillo, A., Höyhtyä, M., Majanen, M., Ojanperä, T., Scholliers, J., & Rantala, S. J. (2023). Improving the safety of autonomous driving by using Direct-to-Satellite connectivity: The case of Iridium and Starlink satellite constellations. 2023 IEEE Conference on Standards for Communications and Networking (CSCN), 40–46. https://doi.org/10.1109/CSCN60443.2023.10453196 https://doi.org/10.1109/CSCN60443.2023.10453196

  5. Yastrebova, A., Angervuori, I., Okati, N., Vehkaperä, M., Höyhtyä, M., Wichman, R., & Riihonen, T. (2020). Theoretical and simulation-based analysis of terrestrial interference to LEO satellite uplinks. GLOBECOM 2020 - 2020 IEEE Global Communications Conference, 1–6. https://doi.org/10.1109/GLOBECOM42002.2020.9347980 https://doi.org/10.1109/GLOBECOM42002.2020.9347980

  6. Yastrebova, A., Höyhtyä, M., Boumard, S., Lohan, E. S., & Ometov, A. (2021). Positioning in the Arctic region: State-of-the-art and future perspectives. IEEE Access, 9, 53964–53978. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3069315 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3069315

  7. Boumard, S., Yastrebova, A., Höyhtyä, M., Lasanen, M., & Karttaavi, T. (2023). Constellation and data link design for a nano-satellite Earth observation system. 39th International Communications Satellite Systems Conference (ICSSC 2022), 169–175. https://doi.org/10.1049/icp.2023.1382 https://doi.org/10.1049/icp.2023.1382

  8. Yastrebova, A., Anttonen, A., Lasanen, M., Vehkaperä, M., & Höyhtyä, M. (2021). Interoperable simulation tools for satellite networks. 2021 IEEE 22nd International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks (WoWMoM), 304–309. https://doi.org/10.1109/WoWMoM51794.2021.00056 https://doi.org/10.1109/WoWMoM51794.2021.00056

  9. Höyhtyä, M., Boumard, S., Yastrebova, A., Järvensivu, P., Kiviranta, M., & Anttonen, A. (2022). Sustainable satellite communications in the 6G era: A European view for multilayer systems and space safety. IEEE Access, 10, 99973–100005. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206862 https://doi.org/10.1109/ACCESS.2022.3206862

 
Kokoelmat