[논문 리뷰] Attitude Control of the Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1)

Ravi Teja Nallapu, Saumil Shah외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Astro and Planetary Science인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 반중력 조건을 시뮬레이션하기 위해 최대 4 rpm로 자전하는 3U 큐브사일로, 반응휠과 매agnetorquer를 사용하는 AOSAT 1의 자세 제어 시스템 설계를 제시한다. 연구는 충격을 받은 우표의 내부 질량 이동으로 인한 탈틀링 성능와 안정성 분석을 통해, 행성 과학 분야의 향후 저비용 궤도 원심분리 실험실을 위한 강건한 제어 기술을 입증한다.

ABSTRACT

Exploration of asteroids and small-bodies can provide valuable insight into the origins of the solar system, into the origins of Earth and the origins of the building blocks of life. However, the low-gravity and unknown surface conditions of asteroids presents a daunting challenge for surface exploration, manipulation and for resource processing. This has resulted in the loss of several landers or shortened missions. Fundamental studies are required to obtain better readings of the material surface properties and physical models of these small bodies. The Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1) is a CubeSat centrifuge laboratory that spins at up to 4 rpm to simulate the milligravity conditions of sub 1 km asteroids. Such a laboratory will help to de-risk development and testing of landing and resource processing technology for asteroids. Inside the laboratory are crushed meteorites, the remains of asteroids. The laboratory is equipped with cameras and actuators to perform a series of science experiments to better understand material properties and asteroid surface physics. These results will help to improve our physics models of asteroids. The CubeSat has been designed to be low-cost and contains 3-axis magnetorquers and a single reaction-wheel to induce spin. In our work, we first analyze how the attitude control system will de-tumble the spacecraft after deployment. Further analysis has been conducted to analyze the impact and stability of the attitude control system to shifting mass (crushed meteorites) inside the spacecraft as its spinning in its centrifuge mode. AOSAT 1 will be the first in a series of low-cost CubeSat centrifuges that will be launched setting the stage for a larger, permanent, on-orbit centrifuge laboratory for experiments in planetary science, life sciences and manufacturing.

연구 동기 및 목표

• 소행성의 밀리중력 조건을 시뮬레이션하기 위해 설계된 큐브사일 AOSAT 1을 위한 저비용이고 신뢰성 있는 자세 제어 시스템 개발
• 궤도 배치 후 3축 매agnetorquer와 반응휠을 사용한 자세 제어 시스템의 탈틀링 성능 분석
• 원심분리기 작동 중 부서진 우표의 이동으로 인한 내부 질량 이동이 자세 제어 시스템의 안정성에 미치는 영향 평가
• 소행성 착륙 및 자원 가공 기술을 위한 기술적 리스크를 줄여 향후 궤도 원심분리 실험실을 가능하게 하기
• 통제된 마이크로중력 시뮬레이션을 통해 소행성 표면 물리학 및 물질 특성에 대한 기본 연구 지원

제안 방법

• 자세 제어 시스템은 스피닝 업을 위한 단일 반응휠과 탈틀링 및 동량 탈기화를 위한 3축 매agnetorquer를 사용한다.
• 시스템은 우주선의 스피닝 속도를 조절하고 자세 안정성을 유지하기 위해 비례-적분-미분(PID) 제어 법칙을 적용한다.
• 원심분리기 작동 중 부서진 우표로 인한 내부 질량 이동을 고려한 우주선의 동역학 모델을 수립한다.
• 선형화된 운동 방정식을 사용하여 다양한 질량 분포 조건에서의 시스템 반응을 평가하기 위해 안정성 분석을 수행한다.
• 배치 후 자기 토크 제어에서 반응휠 제어로 전환되는 탈틀링 모드를 포함한 제어 아키텍처를 설계한다.
• 실제 외란 및 질량 이동 시나리오에서의 제어 성능 평가를 위해 시뮬레이션과 분석 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤도 배치 후 매agnetorquer 기반 탈틀링 제어 시스템이 AOSAT 1의 안정화에 얼마나 효과적인가?
• RQ2 원심분리기 작동 중 부서진 우표로 인한 내부 질량 이동이 자세 제어 시스템의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 내부 교란이 존재하는 상황에서 반응휠이 최대 4 rpm의 안정된 스피닝 속도를 유지하는 데 기여하는 방식은 무엇인가?
• RQ4 자전하는 원심분리기와 우주선의 전체 자세 제어 시스템 간의 동적 결합 효과는 무엇인가?
• RQ5 매agnetorquer와 반응휠의 조합 시스템이 현실적인 질량 이동 조건에서 장기적으로 안정성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 자세 제어 시스템은 매agnetorquer와 반응휠 제어를 통해 몇 차례 궤도 내에서 탈틀링을 성공적으로 달성한다.
• 모의 실험과 안정성 분석을 통해, 부서진 우표로 인한 내부 질량 이동에도 불구하고 최대 4 rpm의 안정된 스피닝을 유지함을 확인하였다.
• 선형화된 동역학 모델은 다양한 질량 분포 조건에서도 제어 시스템이 안정적임을 보여주며, 제어 능력의 심각한 손실는 없었다.
• 반응휠은 원심분리기 작동 중 정밀한 스피닝 속도 조절을 위한 충분한 제어 능력을 제공한다.
• 매agnetorquer와 단일 반응휠의 통합은 자전하는 큐브사일 플랫폼에 대한 저비용이고 신뢰성 있는 자세 제어 솔루션을 가능하게 한다.
• 본 연구는 저비용 소형 위성 원심분리 실험실에서 단일 반응휠을 이용한 스피닝 제어의 실현 가능성을 확인하였다.