[論文レビュー] A planning tool for optimal three-dimensional formation flight maneuvers of satellites in VLEO using aerodynamic lift and drag via yaw angle deviations

Constantin Traub, Stefanos Fasoulas+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Spacecraft Dynamics and Control参考文献 37被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、ヨー角のずれを用いた微小な空気力学的揚力と抗力を用いて、非常に低高度低地球軌道（VLEO）における3次元衛星編隊飛行のための新規最適計画ツールを提示する。ヨー角に基づく力の制御を通じて、同時に面内および面外の相対運動を制御することにより、軌道の減衰を最小限に抑え、衛星の寿命とミッションの持続可能性を最大化する。J2の摂動、大気の共回転、変動する大気密度を考慮した上で、このツールは、VLEO環境下での高精度な制御を実現する。

ABSTRACT

Differential drag is a promising option to control the relative motion of distributed satellites in the Very Low Earth Orbit regime which are not equipped with dedicated thrusting devices. A major downside of the methodology, however, is that its control authority is (mainly) limited to the in-plane relative motion control. By additionally applying differential lift, however, all three translational degrees-of-freedom become controllable. In this article, we present a tool to flexibly plan optimal three-dimensional formation flight maneuvers via differential lift and drag. In the planning process, the most significant perturbing effects in this orbital regime, namely the J2 effect and atmospheric forces, are taken into account. Moreover, varying atmospheric densities as well as the co-rotation of the atmosphere are considered. Besides its flexible and high-fidelity nature, the major assets of the proposed methodology are that the in-and out-of-plane relative motion are controlled simultaneously via deviations in the yaw angles of the respective satellites and that the planned trajectory is optimal in a sense that the overall decay during the maneuver is minimized. Thereby, the remaining lifetime of the satellites is maximized and the practicability and sustainability of the methodology significantly increased. To the best of the authors knowledge, a tool with the given capabilities has not yet been presented in literature. The resulting trajectories for three fundamentally different relevant formation flight maneuvers are presented and discussed in detail in order to indicate the vast range of applicability of the tool.

研究の動機と目的

• 従来の差動抗力手法が面内相対運動にしか制御できないという限界を克服し、完全な3次元相対運動制御を可能にする。
• VLEOにおける主要な摂動、特にJ2効果と大気力の影響を考慮した高精度で柔軟性のある計画ツールを開発する。
• 編隊飛行の過程での全体的な軌道減衰を最小限に抑え、衛星の残存寿命とミッションの持続可能性を最大化する。
• ヨー角のずれによる制御能力最適化を通じて、推進剤を必要としない実用的な編隊飛行を小型衛星に可能にする。
• 将来的な搭載型モデル予測制御および衛星設計最適化との統合の基盤を提供する。

提案手法

• GPOPS-IIを用いて最適制御問題を定式化し、衛星編隊飛行のための最小減衰軌道を計算する。
• 標準的な抗力と揚力の式を用いて空気力学的力をモデル化し、指令されたヨー角のずれによって面内および面外の差動力を生成する。
• 時間変動する大気密度と地球の大気共回転を軌道力学モデルに組み込む。
• 長期間にわたる飛行シミュレーションにおける数値的安定性と条件数の改善のため、ほぼ特異性のない軌道要素（Ens）を用いる。
• 振るいの要素（osculating elements）を平均要素（mean elements）に変換するため、Brouwer-Lyddane変換を適用する。
• ヨー角の変調によって、差動抗力による面内制御と差動揚力による面外制御を同時に実行し、完全な3次元の動き制御を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヨー角のずれによって、VLEOにおける衛星編隊の面内および面外相対運動を同時に制御可能か？
• RQ2 大気の共回転と時間変動する密度を組み込むことで、空気力学的編隊飛行の最適性と実現可能性にどのような影響が生じるか？
• RQ3 ヨー角制御による差動揚力と抗力によって、3次元編隊飛行の過程での軌道減衰をどの程度まで最小化できるか？
• RQ4 一定の大気密度またはバン・バン制御プロファイルに依存する従来手法と比較して、本手法の性能と忠実度はどのように異なるか？
• RQ5 本計画ツールを搭載型モデル予測制御と統合し、リアルタイムの軌道追従を実現する可能性はどの程度か？

主な発見

• 提案されたツールは、ヨー角のずれを用いて、同時に差動抗力と差動揚力の両方を発生させることで、VLEOにおける完全な3次元相対運動制御を可能にする。
• 飛行中の全体的な軌道減衰を最小限に抑えることで、衛星の残存寿命を最大限に延ばし、ミッションの持続可能性を顕著に向上させる。
• J2効果、大気の共回転、変動する大気密度といった主要な摂動を考慮しているため、軌道の忠実度が向上する。
• 再配置、ステーションキーピング、衝突回避という3つの異なるテストケースを通じて、本ツールが基本的なミッションタイプに広く適用可能であることが示された。
• 推進剤を不要とし、バン・バン制御を回避し、滑らかで最適な制御プロファイルを実現できる点で、従来手法を上回る性能を発揮する。
• 本ツールは、将来的な搭載型補償、衛星設計最適化、高精度な動的シミュレーション検証の基盤としての基盤プラットフォームであると特定された。