[논문 리뷰] 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 Fasoulas외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Spacecraft Dynamics and Control참고 문헌 37인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 Very Low Earth Orbit (VLEO)에서 앵아일러드 각도의 편이를 통해 미세한 공기역학적 양력과 항력 조절을 이용한 3차원 위성 편대 비행을 위한 최적 계획 도구를 제안한다. 앵아일러드 기반의 힘 조절을 통해 동시에 궤도면 내 및 외의 상대 운동을 제어함으로써, 궤도 감쇠를 최소화하고, J2 교란, 대기 공전, 변동하는 대기 밀도를 고려함으로써 위성 수명과 임무 지속 가능성을 극대화한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 차등 항력 방법이 궤도면 내 상대 운동만 제어할 수 있는 한계를 해결하기 위해, 전체 3차원 상대 운동 제어를 가능하게 한다.
• VLEO의 주요 교란인 J2 영향과 대기력 등을 고려한 고정밀도이고 유연한 계획 도구를 개발한다.
• 편대 비행 동안의 전체 궤도 감쇠를 최소화하여 위성 잔여 수명과 임무 지속 가능성을 극대화한다.
• 앵아일러드 각도 편이를 최적화하여 추진제가 없는 실용적인 편대 비행을 가능하게 하여 소형 위성의 비행을 지원한다.
• 향후 위성 탑재형 모델 예측 제어 및 위성 설계 최적화와의 통합 기반을 제공한다.

제안 방법

• GPOPS-II를 사용하여 위성 편대 비행의 최소 감쇠 궤도를 계산하기 위한 최적 제어 문제를 수립한다.
• 표준 항력 및 양력 방정식을 사용하여 공기역학적 힘을 모델링하고, 명령된 앵아일러드 각도 편이를 통해 궤도면 내 및 외의 차등 힘을 생성한다.
• 시간에 따라 변화하는 대기 밀도와 지구의 대기 공전 효과를 궤도 역학 모델에 통합한다.
• 장기간의 비행 시뮬레이션에서 수치적 조건과 안정성을 향상시키기 위해 거의 비특이 궤도 요소(Ens)를 사용한다.
• 오sculating 요소를 평균 요소로 변환하기 위해 Brouwer-Lyddane 변환을 적용하여 안정적인 궤도 전파를 확보한다.
• 앵아일러드 각도 조절을 통해 동시에 궤도면 내(차등 항력에 의한) 및 외(차등 양력에 의한) 상대 운동을 제어함으로써, 전체 3차원 비행 능력을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 앵아일러드 각도 편이가 VLEO에서 위성 편대의 궤도면 내 및 외 상대 운동을 동시에 제어할 수 있는가?
• RQ2 대기 공전과 시간에 따라 변화하는 밀도를 포함할 경우, 공기역학적 편대 비행의 최적성과 실현 가능성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ3 앵아일러드 제어를 통한 차등 양력과 항력으로 3차원 편대 비행 동안 궤도 감쇠를 어느 정도 최소화할 수 있는가?
• RQ4 일정한 대기 밀도 또는 번개-뱅 제어 프로파일에 의존하는 이전 방법과 비교해 볼 때, 제안된 도구의 성능과 정밀도는 어떻게 되는가?
• RQ5 이 계획 도구를 위성 탑재형 모델 예측 제어와 통합하여 실시간 궤도 추적에 활용할 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 제안된 도구는 앵아일러드 각도 편이를 통해 동시에 차등 항력과 양력을 생성함으로써, VLEO에서 전체 3차원 상대 운동 제어를 가능하게 한다.
• 비행 중 전체 궤도 감쇠를 최소화함으로써, 도구는 잔여 위성 수명을 극대화하고, 임무 지속 가능성을 크게 향상시킨다.
• J2 영향, 대기 공전, 변동하는 대기 밀도와 같은 주요 교란을 고려함으로써 궤도 정밀도가 향상된다.
• 재구성, 정지 유지, 충돌 회피의 세 가지 별도 시험 케이스는 도구가 기본 임무 유형 전반에 걸쳐 널리 적용 가능하다는 것을 입증한다.
• 로켓 추진제가 필요 없고 번개-뱅 제어를 피하며 매끄럽고 최적의 제어 프로파일을 제공함으로써, 이전 방법보다 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 이 도구는 향후 위성 탑재 보정, 위성 설계 최적화, 고정밀도 동역학 시뮬레이션 검증을 위한 기초 플랫폼으로서 확인된다.