Acceleration techniques for the computation of Solar Radiation Pressure

Abstract

The aim of this project is the exploration of techniques to accelerate the computation of Solar Radiation Pressure (SRP) on satellites. The SRP is the acceleration caused by the impact of photons of light on the surface of a satellite, usually coming from a star. This acceleration is important to estimate as it is the second most important force, besides gravity, that affects the motion of a satellite, and it can have long-term effects. Various SRP approximation methods exist, but the most accurate of them are the raytracing methods, which simulate the paths of the light impacting the satellite. They can account for self-occlusions and simulate light bounces with higher order rays originating from the primary ray coming from the Sun. However, much like raytracing in the computer graphics field, it comes with a high computational cost, to the point CPUs are not able to compute it in a reasonable time and GPUs must be used. The main contribution of this work is the exploration of series of techniques that could be used to speed up the raytracing algorithm. Parallelization techniques are explored at different levels, and later implemented on the GPU in the software development part. Raytracing acceleration structures are also theoretically discussed. Finally, interpolation techniques, as a way to only require some preprocess computation work, are analyzed, with a focus on bilinear interpolation and spherical harmonics. The work is based in a previous project, from which an already existing SRP simulation application is taken and modified to implement a new computation technique. The project features a strong focus on graphics processing units (GPU), with the Vulkan graphics API being learned and explored to later leverage its modern features to enhance SRP computation via compute shaders. The new compute shader methods, with all the optimizations implemented enabled, has shown and improvement of over 92% in terms of computation time, while maintaining similar accuracy as previous methods.

L’objectiu d’aquest projecte és l’exploració de tècniques per accelerar el càlcul de la Pressió per Radiació Solar (SRP) als satèl·lits. La SRP és l’acceleració causada per l’impacte dels fotons de llum sobre la superfície d’un satèl·lit, llum que normalment ve d’una estrella. Aquesta acceleració és important d’estimar perquè és la segona força més important que afecta el moviment d’un satèl·lit, després de la gravetat, i pot ocasionar efectes a llarg termini. Múltiples mètodes per aproximar la SRP existeixen, però els més precisos són els de raytracing, que simulen la trajectòria dels raigs de llum impactant el satèl·lit. Aquests mètodes poden tenir en compte autooclusions en el satèl·lit i també poden simular rebots de llum de major ordre que un raig primari provinent del Sol pot originar. No obstant això, i de manera similar al raytracing entès en el camp de gràfics per computador engeneral, els mètodes presenten un alt cost computacional, fins al punt que les CPUs no poden computar-lo en un temps raonable, i s’han de fer servir GPUs. La contribució principal d’aquest treball és l’exploració d’una sèrie de tècniques que podrien ser usades per fer més ràpid l’algorisme de raytracing. Tècniques de paral·lelització són explorades a diferents nivells, i implementades després a la GPU, a la part de desenvolupament de software. Les estructures d’acceleració per raytracing també es discuteixen teòricament. Finalment, algunes tècniques d’interpolació són analitzades com una manera de només necessitar d’un preprocés, posant el focus sobre la interpolació bilineal i les harmòniques esfèriques. El treball es basa en un projecte previ, del qual una aplicació per simular la SRP és presa i modificada per implementar una nova tècnica de càlcul. El projecte presenta un fort enfocament en les graphics processing units (GPU), amb l’API gràfica Vulkan sent estudiada i explorada per després aprofitar les seves característiques per millorar el càlcul de la SRP via compute shaders. El nou mètode basat en compute shader, i amb totes les optimitzacions habilitades, ha mostrat una millora del 92% pels temps de computació, mantenint precisions similars als mètodes previs.