[論文レビュー] Orbit Determination and Differential-drag Control of Planet Labs Cubesat Constellations

Cyrus Foster, Henry Hallam+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Spacecraft Design and Technology参考文献 3被引用数 56

ひとこと要約

本論文では、推力なしのCubeSatsの惑星・ラボスの衛星群における正確な相対的間隔を維持するための、スケーラブルな二方向UHF距離測定に基づく軌道決定システムと、微小推力制御戦略を提示する。この手法により、Xバンドダウンリンクのための高精度な軌道予測が可能となり、6か月間にわたり10機の衛星からなる太陽同期軌道上でのほぼ均等な衛星間隔とほぼゼロの相対速度を達成した。これは、大規模衛星群における受動的ステーションキーピングの有効性を検証した。

ABSTRACT

We present methodology and mission results from orbit determination of Planet Labs nanosatellites and differential-drag control of their relative motion. Orbit determination (OD) is required on Planet Labs satellites to accurately predict the positioning of satellites during downlink passes and we present a scalable OD solution for large fleets of small satellites utilizing two-way ranging. In the second part of this paper, we present mission results from relative motion differential-drag control of a constellation of satellites deployed in the same orbit.

研究の動機と目的

• 低地球軌道におけるJSpOC TLEの限界を克服し、大規模な小型衛星群のための信頼性の高い独立型軌道決定システムを開発すること。
• 地上推力なしで1つの軌道面上のCubeSatsの正確な相対運動制御を可能とすること、大気抵抗の制御を用いる。
• 高帯域幅のXバンドダウンリンクのための地上局の正確な指向を保証するため、高精度なエフェマリスを提供すること。
• 受動的で燃料を要しないステーションキーピング法を用いて、太陽同期軌道上での等間隔な衛星間隔を達成・維持すること。
• 100台以上の衛星を同時に打ち上げる将来の衛星群に応用可能なスケーラビリティを実証すること。

提案手法

• 地上局で二方向UHF距離測定を実施し、軌道決定のための正確な飛行時間測定を取得する。JSpOCとは独立した方法である。
• 距離測定データを詳細な力モデルを備えた高精度数値予測器にフィットさせ、正確なエフェマリスを生成する。
• 大気モデルと予測された相対運動に基づき、最適な高抵抗ウィンドウの継続時間とタイミングを予測アルゴリズムで決定する。
• 衛星が姿勢を変更することで球面係数を変化させ、抵抗を低減または増加させることで、軌道減衰率を変更する。
• 新しい距離測定データを受信し、繰り返し最適化することで、摂動の影響を受けても望ましい相対的間隔を維持する制御アルゴリズムを繰り返し更新する。
• 距離測定パケット内の衛星シリアル番号を用いて各宇宙船を一意に識別し、クロスタギング誤差を排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二方向UHF距離測定は、低地球軌道における高精度なXバンドダウンリンク用アンテナ指向に十分な軌道決定精度を達成できるか？
• RQ2 地上推力なしで1つの軌道面上のCubeSats間の相対的間隔と速度を、微小推力制御でどの程度正確に維持できるか？
• RQ3 UHF距離測定の使用が、とくに密集した低高度衛星群においてJSpOC TLEへの依存度をどの程度低減できるか？
• RQ4 姿勢に基づく抵抗制御のみを用いて、長期間（例：6か月）にわたり相対運動制御の精度と安定性をどの程度達成できるか？
• RQ5 コマンドアップロードの遅延が生じた場合や運用の中断が生じた場合、システムはどのようにして衛星群の位相を維持するか？

主な発見

• 二方向UHF距離測定システムは、Xバンドダウンリンクの指向誤差が0.2°未満に抑えられるほどの軌道決定精度を達成し、JSpOC TLEの信頼性を上回った。
• 低高度のCubeSatsのJSpOC TLEは、測定ノイズやクロスタギングの影響により、短時間の間隔で1km未満から100kmを超える誤差を示すことがあり、著しく変動していた。
• 微小推力制御アルゴリズムにより、6か月間にわたり600kmの太陽同期軌道上での10機の衛星をほぼ均等なスロットに位相合わせし、ほぼゼロの相対速度を達成した。
• シミュレーションと軌道上データから、高抵抗ウィンドウのタイミングを正確に制御でき、図9では最小限のギャップと凝集体が確認された最終的な配置が得られた。
• コマンドアップロードの遅延が生じた期間中でも、スロット割り当てを再最適化し、高抵抗ウィンドウの再計画を実施することで、正確な相対運動制御を維持した。
• 本手法は、大規模衛星群における受動的ステーションキーピングの実現可能性を示し、1つの軌道面上に100台以上の衛星を展開可能なスケーラビリティを有している。