The new era of space-based broadband service has emerged, backed by a satellite mega-constellation in the low Earth orbit. One example is OneWeb which plans to offer high-speed, worldwide internet access using a 6,372-satellite constellation. Space X is also rapidly building up the Starlink constellation, composed of 12,000 satellites. In addition, with the miniaturization of electronics, low manufacturing cost, adequate performance, and reliability, new constellations composed of hundreds to thousands of small satellites to capture the demand of global service have been proposed and deployed. However, the cost involved in these large constellations is enormous, necessitating an integrated strategy for efficient deployment and maintenance.
This doctoral thesis addresses issues related to deploying and maintaining satellite mega-constellations. The design of constellation deployment mission and maintenance strategies considered in this thesis can be interpreted as a multi-echelon dual-channel supply chain model. The deployment problem is projected onto the established supply chain model, then is formalized after substituting it with a dynamic network flow problem. The satellite constellation maintenance problem is formalized by replacing it with an inventory management problem that utilizes the established dual-channel supply chain model for spare options that replace failed satellites with new satellites.
The optimal deployment problem is represented by mixed-integer linear programming, and the two-phase framework is proposed to establish optimal strategies. The proposed framework consists of an evaluation phase and an optimal planning phase. In order to verify the proposed framework, a OneWeb constellation was selected as a subject for study. The effectiveness of the two-phase framework was analyzed and proved in each phase.
The optimal maintenance strategy design problem is expressed as a non-linear integer programming that utilizes inventory management's (s, Q) policy. The channels that constitute a dual-channel supply chain are divided into a normal and an emergency mode. The effectiveness of the proposed model is established through numerical examples and sensitivity analysis on the maintenance of large satellite constellations.
The contributions of this thesis are threefold. First, the optimal deployment and spare replenishment problems are defined and mathematically formulated. Second, a novel solution procedure and the framework to deploy and replenish the satellite mega-constellation are defined and developed. Finally, realistic numerical examples are conducted to demonstrate the effectiveness of the proposed problem and developed framework. The results can provide benchmarks for designing and evaluating the constellation deployment and replenishment architecture in the preliminary phase of the mission operation.
본 학위 논문에서는 거대 위성군(satellite mega-constellation) 전개와 유지 보수에 대한 문제를 다룬다. 본 논문에서 고려한 위성군 전개 임무와 유지보수 전략 설계 문제는 다계층 이중 채널 공급망 모델(multi-echelon dual-channel supply chain model)로 해석이 가능하며, 전개 문제는 정립된 공급망 모델에 문제를 투영시켜 동적 네크워크 흐름 문제(dynamic network flow problem)로 치환 후, 수학적 모델을 정식화 하였다. 위성군 유지보수를 위한 전략 설계 문제는 고장난 위성을 새로운 위성으로 대체하는 예비 위성 운영 옵션에 대해 정립된 공급망 모델을 활용하는 재고 관리(inventory management) 문제로 치환하여 수학적 모델을 정식화 하였다.
최적 전개 문제를 위해 정식화 된 모델은 혼합 정수 선형계획법(mixed-integer linear programming)으로 표현되며, 제안한 두 단계 프레임워크(two-phase framework)를 통해 위성군 전개 임무를 평가하고 최적 전개 전략을 도출하고자 하였다. 제안한 프레임워크는 정의된 위성군 전개 임무 아키텍처의 실현 가능성을 평가하는 첫 번째 단계(evaluation phase)와 실현 가능성이 확보된 아키텍처 하의 최적 전개 계획을 도출하는 두 번째 단계(optimal planning phase)로 이루어진다. 본 학위 논문에서 제안한 거대 위성군 프레임워크의 검증을 위해 현재 구축 중에 있는 원웹 위성군(OneWeb constellation) 전개를 사례 연구로 수행하였으며, 두 단계 프레임워크의 효과성을 각 단계별로 분석하고 입증하였다.
최적 유지보수 전략 설계 문제는 (s, Q) 정책을 활용하는 재고 관리 문제로 표현되며, 정식화 된 모델은 비선형 정수 계획법(non-linear integer programming)으로 모델링하였다. 다계층 이중 채널 공급망을 구성하는 각 채널을 일반 모드(normal mode)와 비상 모드(emergency mode)로 나누어 모델링하였으며 위성군 유지보수에 관한 사례 연구와 파라미터 분석을 통해 정립된 모델의 효과성을 분석하고자 하였다. 본 학위 논문은 위성군 전개와 유지보수를 위한 임무 아키텍처의 분석과 설계를 위한, 수학적 모델 정립과 프레임워크 개발에 그 의의가 있으며, 본 연구에서 제안한 방법론은 전개를 위한 발사 임무 계획과 유지보수 전략 수립을 위한 기준선(baseline) 제공에 활용될 수 있을 것이라 기대한다.
