Assessment of Satellite Coverage of Walker Constellation Types Across the Middle East

Ebrahimi Hesari, Alireza; Bakhtiari, Majid; Daneshjou, Kamran

doi:10.22034/jsst.2025.1550

Assessment of Satellite Coverage of Walker Constellation Types Across the Middle East

Document Type : Original Research Paper

Authors

Alireza Ebrahimi Hesari ¹

Majid Bakhtiari ²

Kamran Daneshjou ¹

¹ School of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

² School of Science and Technology, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2025.1550

Abstract

This study addresses the critical challenge of selecting an optimal Walker satellite constellation architecture to ensure continuous and effective regional coverage. In particular, it focuses on a comparative analysis of two widely used configurations Walker Star and Walker Delta to determine which offers superior performance over a specific geographical region, namely the Middle East. Given the increasing demand for reliable satellite-based services in regional applications, identifying the most suitable constellation design is essential for both technical and cost-efficiency considerations. To tackle this challenge, a simulation-driven methodology was adopted using MATLAB and Systems Tool Kit (STK). The study assumes a fixed number of satellites to maintain a controlled comparison framework. MATLAB was utilized for scenario initialization, parametric calculations, and visualization of results, while STK was employed for precise orbit modeling, ground coverage analysis, and dynamic performance evaluation. Key performance indicators such as gap duration, access duration, and percentage of area covered were computed and analyzed to quantitatively assess each configuration’s effectiveness. The findings provide clear insights into the relative strengths and weaknesses of each constellation type and aim to support more informed decision-making in the design and implementation of regional satellite networks.

Keywords

Walker Constellation

Satellite Coverage Performance

Regional Constellation Design

Coverage gap duration

Accesses duration

Figure of merit

Subjects

Space Engineering

Article Title Persian

ارزیابی پوشش ماهواره‌ای سامانهٔ Walker در منطقه خاورمیانه

Authors Persian

علیرضا ابراهیمی حصاری ¹

مجید بختیاری ²

کامران دانشجو ¹

¹ دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

² دکترا، دانشکده علوم و فناوری، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

Abstract Persian

این مطالعه به چالش بحرانی انتخاب معماری بهینه سامانه ماهواره‌ای Walker برای تضمین پوشش منطقه‌ای پیوسته و مؤثر می‌پردازد. به‌طور خاص، تمرکز بر تحلیل مقایسه‌ای دو پیکربندی رایج، Walker Star و Walker Delta، است تا مشخص شود کدام‌یک عملکرد بهتری را در یک منطقۀ جغرافیایی مشخص، یعنی خاورمیانه، ارائه می‌دهد. با توجه به افزایش تقاضا برای خدمات مبتنی بر ماهواره با قابلیت اعتماد در کاربردهای منطقه‌ای، شناسایی طراحی سامانهٔ ماهواره‌ای مناسب از نظر فنی و همچنین کارایی هزینه‌ای، امری ضروری است. برای مواجهه با این چالش، رویکردی مبتنی بر شبیه‌سازی با استفاده از نرم افزار متلب و Systems ToolKit (STK) به کار گرفته شد. مطالعه فرض می‌کند عدد ثابتی از ماهواره‌ها وجود دارد تا چارچوب مقایسه‌ای کنترل‌شده‌ای فراهم شود. متلب برای راه‌اندازی سناریو، محاسبات پارامتریک و visualization نتایج به کار رفت، در حالی‌که STK برای مدل‌سازی دقیق مدار، تحلیل پوشش زمینی و ارزیابی پویایی عملکرد استفاده شد. شاخص‌های کلیدی کارایی همچون مدت فاصلهٔ (gap)، مدت دسترسی (access)، و درصد مساحتی که پوشش داده می‌شود، محاسبه و تحلیل شد تا اثربخشی هر پیکربندی را به‌طور کمی ارزیابی کند. نتایج، بینشی واضح نسبت به نقاط قوت و ضعف نسبی هر نوع سامانهٔٔ ماهواره‌ای ارائه می‌دهد و هدف آن پشتیبانی از تصمیم‌گیری‌های آگاهانه‌تر در طراحی و اجرای شبکه‌های ماهواره‌ای منطقه‌ای است.

Keywords Persian

سامانهٔ ماهواره‌ای Walker

کارایی پوشش ماهواره‌ای

طراحی سامانهٔ ماهواره‌ای منطقه‌ای

مدت زمان فاصله پوشش

مدت دسترسی

شاخص ارزیابی/ شاخص کارآیی

[1] H. Zhou, L. Liu, and H. Ma, “Coverage and capacity analysis of LEO satellite network supporting Internet of Things,” in International Conference on Communications (ICC), Shanghai, China, 2019, pp. 1–6. http://doi.org/10.1109/ICC.2019.8761682.

[2] A. Al Hourani, “Optimal satellite constellation altitude for maximal coverage,” IEEE Wireless Communications Letters, vol. 10, no. 7, pp.  1444–1448, 2021. http://doi.org/10.1109/LWC.2021.3069751.

[3] C.  Dai, G.  Zheng, and Q.  Chen, “Satellite constellation design with multi‑objective genetic algorithm for regional terrestrial satellite network,” China Communications, vol.  15, no.  8, pp.  1–10,  2018, http://doi.org/10.1109/CC.2018.8438269.

[4] Z. Qu, G. Zhang, H. Cao, and J. Xie, “LEO satellite constellation for Internet of Things,” IEEE Access, vol.  5, pp.  18391–18401, 2017, http://doi.org/10.1109/ACCESS.2017.2735988

[5] I. Meziane Tani, G. Métris, G. Lion, A. Deschamps, F. T. Bendimerad, and M. Bekhti, “Optimization of small satellite constellation design for continuous mutual regional coverage with multi‑objective genetic algorithm,” International Journal of Computational Intelligence Systems, vol.  9, no.  4, pp.  627–637,  2016, http://doi.org/10.1080/18756891.2016.1204112

[6] G. M. Capez, S. Henn, J. A. Fraire, and R. Garello, “Sparse satellite constellation design for global and regional direct-to-satellite IoT services,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 58, no. 5, pp. 3786-3801, 2022, https://doi.org/10.1109/TAES.2022.3185970.

[7] H. Luo, T. Yan, and S. Hu, “Caching policy in low earth orbit satellite mega‑constellation information‑centric networking for internet of things,” Sensors, vol.  24, no.  11, 2024, Art.  no. 3412, https://doi.org/10.3390/s24113412.

[8] S. D. Melaku and H. D. Kim, “Optimization of multi mission CubeSat constellations with a multi-objective genetic algorithm,” Remote Sensing, vol.  15, no.  6, 2023, Art. no. 1572, https://doi.org/10.3390/rs15061572.

[9] L. Tian, N.  Huot, O.  Chef, and J.  Famaey, “Self‑organising LEO small satellite constellation for 5G MTC and IoT applications,” in 11th International Conference on Network of the Future (NoF), Bordeaux, France, 2020, pp.  100–104, https://doi.org/10.1109/NoF50125.2020.9249093.

[10] D. Yan, P. You, C. Liu, S. Yong, and D. Guan, “Constellation multi‑objective optimization design based on QoS and network stability in LEO satellite broadband networks,” KSII Transactions on Internet and Information Systems, vol.  13, no.  3, pp.  1260–1283,  2019, https://doi.org/10.3837/tiis.2019.03.008.

[11] H. Akah and D. Elfiky, “Technical assessment of an equatorial Low Earth orbit satellite constellation for Egypt,” Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Sciences, vol. 25, no. 3, pp. 555–562, 2022, https://doi.org/10.1016/j.ejrs.2022.05.002.

[12] S. J. Mousavi Torkamani, M. jafari and R. Zardashti, “Deployment of small satellite constellations using the effect of the Earth’s oblateness,” Journal of Space Science and Technology, vol. 17, no. 2, pp. 69-80, 2023, https://doi.org/10.22034/jsst.2023.1462.

[13] H. Eftekhari, P. Hajipour, A. Kheirdoost and H. Yeganeh, “Scientometric analysis of published scientific productions in the field of satellite constellations,” Journal of Space Science and Technology, vol. 17, no. 2, pp. 1-16, 2024, https://doi.org/10.22034/jsst.2024.1471.

[14] S. Zohrabzadeh Bozorgi and A. Naghash, "Designing a hybrid GEO-LEO constellation pattern for regional satellite navigation in Iran," Journal of Aerospace Science and Technology, vol. 16, no. 1, pp. 77-87, 2023, https://doi.org/10.22034/jast.2022.362842.1132.

[15] M. Yang, X. Dong, and M. Hu, “Design and simulation for hybrid LEO communication and navigation constellation,” in Chinese Guidance, Navigation and Control Conference (CGNCC), Nanjing, China, 2016, pp. 1665–1669. https://doi.org/10.1109/CGNCC.2016.7829041.

[16] F. Ma et al., “Hybrid constellation design using a genetic algorithm for a LEO-based navigation augmentation system,” GPS Solutions, vol. 24, no. 2, pp. 1–10, 2020, Art. no. 62, https://doi.org/10.1007/s10291-020-00977-0.