Application of picosatellites framework in maritime piracy and security

Abstract

Initially we execute an in depth literature survey analysis revealing all aspects / gaps in the global research and specifically to the field of using picosatellites as a mean of data transportation to maritime security situations / operations (chapter 1 and 2). Characteristics of picosatellites with regards to orbital propulsion is also being collected and analyzed. (chapter 3). A space based methodology for the use of picosatellites to maritime security is being developed by creating different scenarios based primarily on piracy effects. This research methodology is also applicable to any maritime security situation / pillar, taking into account that suitable parameters / factors have been inserted to the system (Chapter 5). Design and creation of the first ever built Greek nanosatellite for maritime security (and one of the very few globally – less than three with different objectives) (Lambdasat – www.lambdasat.com ), which participated in a real NASA mission and certified accordingly: Successful NASA mission: http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1865.html This satellite applied for first time the principles of maritime security on a miniaturized satellite bus, by transferring among other messages Automatic Identification System data and creating communication paths available to merchant mariners in the middle of the ocean. From this space mission valuable data generated which published in international journals with one of them to be awarded as a remarkable contribution to European picosatellite conference in Germany (chapter 6). At the same time simulation with the use of another picosatellite (Tubesat type) for maritime security applications is being conducted and results for the use and availability of picosatellites on orbit recorded. This research area uncovers what are the real operational characteristics of a miniature satellite in order to be able to communicate on a 24/7 timeframe by using a constellation type cloud of picosatellites on orbit. As an aftermath of our “Design Science” research we build also a second picosatellite (cubesat type) which already delivered to NASA for launch. The name of the satellite is UOA/MythPelSat (www.mythpelsat.com) and is going to be placed on orbit by Feb 2017. The idea of this Ph.D. started back in 2007 when after graduating from my Master thesis in US Naval Postgraduate School my thesis advisor Professor Kolar Ramesh guided me to start thinking about my Ph.D. research. A year later Dr. Alex Bordetsky accepted to be one of my Ph.D. advisors and we started together (under his unwearied guidance and supervision) to draft papers and present ideas on conferences. This work was the cornerstone for the Ph.D. work.

Σκοπιμότητα και Στόχοι της Διατριβής. Αποκλειστική σκοπιμότητα της παρούσας διατριβής είναι η δημιουργία ενός αρχικού αλλά πραγματικού πλαισίου, στο οποίο θα είναι δυνατόν να αποκαλυφθούν τα δεδομένα και οι δυνατότητες υποστήριξης της θαλάσσιας ασφάλειας και γενικότερα της ναυτιλίας μέσω της χρήσης πολύ μικρών δορυφόρων. Απαραίτητη προυπόθεση είναι οι δορυφόροι αυτοί να έχουν συμμετέχει σε πραγματικές διαστημικές αποστολές και να έχουν ληφθεί πραγματικά διαστημικά δεδομένα. Κατά συνέπεια οι τρεις βασικοί στόχοι της εν λόγω διατριβής είναι: 1. Δημιουργία ενός πραγματικού δορυφόρου μικρών διαστάσεων (τύπου «cubesat) και αποστολή του στο διάστημα. 2. Λήψη πραγματικών δεδομένων από το διάστημα μέσω αυτού του δορυφόρου και αξιολόγηση τους. 3. Δημιουργία μοντέλου κινδύνου, βασισμένο σε ανωτέρω πραγματικά στοιχεία, που θα αφορά την διασύνδεση της θαλάσσιας ασφάλειας με το διάστημα. Δημιουργείται και κατασκευάζεται ένας πραγματικός μικροδορυφόρος (Lambdasat – www.lambdasat.com ) ο οποίος συμμετέχει σε πραγματική αποστολή της NASA και αποσπά την πιστοποίηση επιτυχούς διαστημικής αποστολής (successful NASA mission http://www.nasa.gov/mission_pages/station/research/experiments/1865.html) . Ο δορυφόρος αυτός εφάρμοσε για πρώτη φορά τις αρχές του maritime security σε διαστημικό όχημα τέτοιου μεγέθους και μετά την λήψη διαστημικών δεδομένων προέκυψαν πολύ χρήσιμα συμπεράσματα τα οποία δημοσιεύθηκαν σε αντίστοιχα journals στο εξωτερικό τα οποία και αναφέρονται στο τέλος αυτής της παραγράφου συνολικά (Κεφάλαιο 6). Εκτελείται προσομοίωση με την χρήση διαφορετικών υπολογιστικών προγραμμάτων για την χρήση πολύ μικρών δορυφόρων (τύπου Tubesat) στην Ναυτιλία και την θαλάσσια ασφάλεια βάσει της οποίας εξήχθησαν συμπεράσματα για την χρονική διαθεσιμότητα των πολύ μικρών δορυφόρων με βάση τα επιχειρησιακά χαρακτηριστικά της τροχιάς τους. Υπολογίστηκε το ελάχιστο μέγεθος ενός constellation που θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για να καλύπτει 24 ώρες / 7 ημέρες την εβδομάδα τον εκάστοτε χώρο ενδιαφέροντος. Δημιουργείαται για αυτό το σκοπό online επισκόπηση του αλγόριθμου κινδύνου σε μορφή demo ως απαραίτητο εργαλείο επισκόπησης του κινδύνου κατά την διάρκεια της πειρατείας (www.maritimerisk.gr) (Κεφάλαιο 7). Αναπτύσσεται μεθοδολογία υπολογισμού κινδύνου στην πειρατεία και υπολογίζεται ένα αναλυτικό ποσοτικό μοντέλου κινδύνου με την χρήση βασικών τεχνικών γραμμικής και λογαριθμικής παλινδρόμησης (regression analysis) για την εξαγωγή συμπερασμάτων (Κεφάλαιο 8). Συλλέγεται και αναλύτεται η υπάρχουσα πληροφορία που έχει προκύψει από την χρήση των πραγματικών μικροδορυφόρων Lambdasat και Τubesat αλλά και από βιβλιογραφική έρευνα της σχέσεως κόστους και οφέλους χρήσεως μικροδορυφόρων στην θαλάσσια ασφάλεια (Κεφάλαιο 8). Ως απόρροια και επίρρωση των ανωτέρω δημιουργείται η ιδέα και κατασκευάζεται ο δεύτερος μικροδορυφόρος με την ονομασία UOA/MythPelSat (www.mythpelsat.com) ο οποίος τον Αύγουστο του 2016 παραδίδεται επιτυχώς στην ΝΑΣΑ. Με τον δορυφόρο αυτό, ο οποίος πρόκειται να εκτοξευθεί τον Φεβρουάριο του 2017 από τον Διεθνή Διαστημικό Σταθμό (ISS), αναπτύσσονται οι αρχές του “orbital mesh networking” σε αρχικό επίπεδο.