[論文レビュー] MinXSS-1 CubeSat On-Orbit Pointing and Power Performance: The First Flight of the Blue Canyon Technologies XACT 3-axis Attitude Determination and Control System

James Mason, Matt Baumgart+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2017

Spacecraft Design and Technology被引用数 25

ひとこと要約

本論文は、ミンサス・1 3U サブスケール・サテライトに搭載されたブルー・キャンブリッジ・テクノロジーズ社の XACT 3軸姿勢推定制御システム（ADCS）の軌道上性能を評価し、指向精度が 0.0042°–0.0117°（15″–42″、3σ）であり、疑似ピーク・パワー・トラッキングを用いた 65% の電力余裕を有する電源システムの安定性を示した。このシステムは仕様を上回り、脱軌まで安定した運用を維持した。これにより、小型サテライトミッションにおける ADCS および EPS デザインの妥当性が裏付けられた。

ABSTRACT

The Miniature X-ray Solar Spectrometer (MinXSS) is a 3 Unit (3U) CubeSat designed for a 3-month mission to study solar soft X-ray spectral irradiance. The first of the two flight models was deployed from the International Space Station in 2016 May and operated for one year before its natural deorbiting. This was the first flight of the Blue Canyon Technologies XACT 3-axis attitude determination and control system -- a commercially available, high-precision pointing system. We characterized the performance of the pointing system on orbit including performance at low altitudes where drag torque builds up. We found that the pointing accuracy was 0.0042\\degree\\ - 0.0117\\degree\\ (15$''$ - 42$''$, 3$\\sigma$, axis dependent) consistently from 190 km - 410 km, slightly better than the specification sheet states. Peak-to-peak jitter was estimated to be 0.0073\\degree\\ (10 s$^{-1}$) - 0.0183\\degree\\ (10 s$^{-1}$) (26$''$ (10 s$^{-1}$) - 66$''$ (10 s$^{-1}$), 3$\\sigma$). The system was capable of dumping momentum until an altitude of 185 km. We found small amounts of sensor degradation in the star tracker and coarse sun sensor. Our mission profile did not require high-agility maneuvers so we are unable to characterize this metric. Without a GPS receiver, it was necessary to periodically upload ephemeris information to update the orbit propagation model and maintain pointing. At 400 km, these uploads were required once every other week. At $\\sim$270 km, they were required every day. We also characterized the power performance of our electric power system, which includes a novel pseudo-peak power tracker -- a resistor that limited the current draw from the battery on the solar panels. With 19 30\\% efficient solar cells and an 8 W system load, the power balance had 65\\% of margin on orbit. We present several recommendations to other CubeSat programs throughout.

研究の動機と目的

• ブルー・キャンブリッジ・テクノロジーズ社の XACT 3軸 ADCS が 3U サブスケール・サテライトに搭載された際の軌道上性能を評価すること。
• さまざまな高度における XACT システムの指向精度、ジターパフォーマンス、モーメンタムダンピング能力を特徴づけること。
• 軌道上環境下における新規の疑似ピーク・パワー・トラッキング（PPPT）電源システム（EPS）の性能を評価すること。
• 低地球軌道におけるエフェメリス更新頻度やセンサー劣化といった運用上の課題を特定すること。
• 軌道上経験に基づき、将来のサブスケール・サテライトミッションに役立つ具体的な推奨事項を提示すること。

提案手法

• XACT ADCS は、411 km の高度で国際宇宙ステーション（ISS）から打ち上げられた 3U サブスケール・サテライトである MinXSS-1 に搭載された。
• 指向性能は、スターフィッターと粗い太陽センサーのデータを用いて軌道上評価され、3σ 測定値から精度とジターパフォーマンスが算出された。
• 電源システム（EPS）は、従来の PPT やシャントを排除するため、疑似ピーク・パワー・トラッキング（PPPT）として固定抵抗値の電流制限抵抗を用いた。
• バッテリーの充電状態（SoC）と電圧は、マキシム社の MAX17049 フェルトゲージチップを介してモニタリングされ、電力バランスの評価に使用された。
• 軌道予測精度を維持するため、エフェメリス更新を定期的にアップロードした。軌道減衰が進行するに従い、更新頻度が増加した。
• 太陽電池の電力発生量は、3 パネルに分かれた 19 個の太陽電池セルの電圧および電流測定値から算出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XACT 3軸 ADCS は、190–410 km の高度範囲で、どの程度の軌道上指向精度とジターパフォーマンスを示したか？
• RQ2 疑似ピーク・パワー・トラッキング（PPPT）設計は、完全な PPT やシャントを用いず、電力が正である状態を維持するのにどの程度効果的であったか？
• RQ3 宇宙船の軌道が 400 km から 185 km に減少するに従い、正確な軌道予測を維持するためのエフェメリス更新頻度はどの程度必要であったか？
• RQ4 低地球軌道における長期間運用において、センサー劣化（例：スターフィッターおよび太陽センサー）がどのように影響を及ぼしたか？
• RQ5 ミンサス・1 ミッションの経験から、将来の小型サテライトミッションに役立つ運用および設計上の推奨事項は何か？

主な発見

• XACT ADCS は、仕様書を上回る 0.0042°–0.0117°（15″–42″、3σ）の指向精度を達成し、190 km から 410 km の高度範囲で一貫性を示した。
• 10 s⁻¹ の周波数で、ピーク・ツー・ピークのジターパフォーマンスは 0.0073°–0.0183°（26″–66″、3σ）であった。これは、安定した指向性能を示している。
• XACT システムは、185 km の高度までモーメンタムダンピングを正常に実行し、高抵抗環境下でも機能することを実証した。
• PPPT を用いた EPS は、軌道上での 65% の電力余裕を維持した。平均電力発生量は 10.81 W、ピーク消費電力は 20 W に達した。
• 400 km の高度ではエフェメリス更新が2週間に1回で十分であったが、約270 km では軌道減衰と予測誤差の増加に伴い、1日1回の更新が必要となった。
• バッテリーの充電状態（SoC）は、固定抵抗による PPPT のため、40% から 80% の範囲で変動した。この範囲制限は、電力のオシレートを防ぎ、システム全体の電力正性を保証した。