[論文レビュー] Starling Formation-Flying Optical Experiment: Initial Operations and Flight Results

Justin Kruger, Soon S. Hwang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2024

Spacecraft Dynamics and Control被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Starling Formation-Flying Optical Experiment (StarFOX) を用いて、宇宙空間で自律的でマルチ・スペースクラフトの角度のみによるナビゲーションを初めて実現した。オービット上でのカメラと衛星間リンクを活用することで、絶対的・相対的軌道測定システム（ARTMS）は、移動制御を要せず分散型ナビゲーションを実現し、相対位置の不確実性を目標距離の0.6%まで低減した。4基のキューブサットからなるスウォームに対して、自律的初期化と同時に絶対軌道および相対軌道の決定を達成した。

ABSTRACT

This paper presents initial flight results for distributed optical angles-only navigation of a swarm of small spacecraft, conducted during the Starling Formation-Flying Optical Experiment (StarFOX). StarFOX is a core payload of the NASA Starling mission, which consists of four CubeSats launched in 2023. Prior angles-only flight demonstrations have only featured one observer and target and have relied upon a-priori target orbit knowledge for initialization, translational maneuvers to resolve target range, and external absolute orbit updates to maintain convergence. StarFOX overcomes these limitations by applying the angles-only Absolute and Relative Trajectory Measurement System (ARTMS), which integrates three novel algorithms. Image Processing detects and tracks multiple targets in images from each satellite's on-board camera. Batch Orbit Determination computes initial swarm orbit estimates from bearing angle batches. Sequential Orbit Determination leverages an unscented Kalman filter to refine swarm state estimates over time. Multi-observer measurements shared over an intersatellite link are seamlessly fused to enable absolute and relative orbit determination. StarFOX flight data presents the first demonstrations of autonomous angles-only navigation for a satellite swarm, including multi-target and multi-observer relative navigation; autonomous initialization of navigation for unknown targets; and simultaneous absolute and relative orbit determination. Relative positioning uncertainties of 1.3% of target range (1$σ$) are achieved for a single observer under challenging measurement conditions, reduced to 0.6% (1$σ$) with multiple observers. Results demonstrate promising performance with regards to ongoing StarFOX campaigns and the application of angles-only navigation to future distributed missions.

研究の動機と目的

• 外部の軌道情報や移動制御に依存せずに、小型衛星スウォームの自律的で分散型ナビゲーションを可能にすること。
• 複数の観測者と複数の標的の測定融合によって、角度のみナビゲーションにおける標的距離の弱い可観測性を克服すること。
• 光学的仰角測定のみを用いて、未知で非協調的標的の相対ナビゲーションを自律的初期化すること。
• GNSSや地上ステーションとの連絡なしに、光学的仰角データと衛星間通信のみを用いて、同時に絶対軌道と相対軌道を決定すること。
• 将来の深宇宙および地球周回の分散型宇宙ミッションに向けたスケーラブルで低コストなナビゲーションシステムの性能を検証すること。

提案手法

• ARTMSフレームワークは、画像処理（IMP）、バッチ軌道決定（BOD）、逐次軌道決定（SOD）の3つのモジュールを統合している。
• IMPは時刻タグ付き画像と運動学的モデルを用い、複数の標的を検出し追跡し、複数仮説法により仰角を計算する。
• BODは反復的バッチ最小二乗法を用い、仰角バッチから弱く可観測な標的距離をサンプリングすることで、初期スウォーム軌道を推定する。
• SODは適応型アンサンブルカルマンフィルタを用い、衛星間クロスリンクを通じて複数の観測者からの測定を融合することで、状態推定値を精緻化する。
• 衛星間リンクによるデータ共有により、観測者間での測定融合がスムーズに実現され、耐障害性と収束性が向上する。
• システムは搭載上で自律的に動作し、軌道初期化やナビゲーション更新に地上の干渉を一切不要としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 衛星スウォームに対して、地上の光学センサと衛星間通信のみを用いて、自律的で移動制御を要しない角度のみナビゲーションを達成できるか？
• RQ2 事前軌道知識や外部更新なしに、未知の標的の相対ナビゲーションを初期化できるか？
• RQ3 複数の観測者による測定は、角度のみナビゲーションにおける相対位置精度をどの程度向上できるか？
• RQ4 GNSSや地上連絡なしに、衛星間の仰角のみを用いて、絶対軌道状態をどの程度正確に推定できるか？
• RQ5 視界不良や時刻同期誤差といった実際の飛行状態下での角度のみナビゲーションの性能限界は何か？

主な発見

• StarFOXは、搭載された光学センサと衛星間リンクのみを用いて、衛星スウォームにおける自律的で移動制御を要しない角度のみナビゲーションの初の軌道上実証に成功した。
• 単一観測者では相対位置不確実性が目標距離の1.3%（1σ）まで低減され、複数観測者を用いることでさらに0.6%（1σ）まで改善された。
• 未知の標的に対する相対ナビゲーションの自律的初期化に成功し、事前知識なしに飛行中に状態推定を実行した。
• 仰角測定のみを用い、外部更新なしに絶対軌道誤差を数キロメートルから1km未満まで改善した。
• 視界不良や時刻同期誤差といった課題にもかかわらず、初期実験期間中に大部分の事前設定目標が達成された。
• これらの結果は、ARTMSが将来の分散型宇宙ミッションにおけるスケーラブルで低コストな自律ナビゲーションソリューションであることを裏付けた。