[논문 리뷰] Differential Drag Control Scheme for Large Constellation of Planet Satellites and On-Orbit Results

Cyrus Foster, James Mason외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 04.

Spacecraft Dynamics and Control참고 문헌 20인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 추진 시스템이 없는 대규모 플래닛 위성 기수에 대해 시간 최적 최적화를 사용하여 위성들을 각도 슬롯에 할당하고 고저항 명령을 생성함으로써 이중 단계의 차등 항력 제어 방식을 제안한다. 이 방법은 Flock 2p 임무에서 12개의 큐브샛을 성공적으로 위상 조절하였으며, 현재는 88개 위성으로 구성된 Flock 3p에 대해서도 활발히 사용 중이며, 상호 연결된 동역학과 시간에 따라 변하는 대기 밀도를 고려한 확장 가능한 연료 없는 기수 위상 조절의 궤도 검증을 보여준다.

ABSTRACT

A methodology is presented for the differential drag control of a large fleet of propulsion-less satellites deployed in the same orbit. The controller places satellites into a constellation with specified angular offsets and zero-relative speed. Time optimal phasing is achieved by first determining an appropriate relative placement, i.e. the order of the satellites. A second optimization problem is then solved as a large coupled system to find the drag command profile required for each satellite. The control authority is the available ratio of low-drag to high-drag ballistic coefficients of the satellites when operating in their background mode. The controller is able to successfully phase constellations with up to 100 satellites in simulations. On-orbit performance of the controller is demonstrated by phasing the Planet Flock 2p constellation of twelve cubesats launched in June 2016 into a 510 km sun-synchronous orbit.

연구 동기 및 목표

• 같은 궤도에 있는 추진 시스템이 없는 소형 위성 기수의 정밀하고 연료 없는 위상 조절을 가능하게 하기 위해.
• 추진 시스템이 없는 상황에서 상대적 간격과 각도 오프셋을 유지하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 상호 연결된 위성 동역학과 시간에 따라 변하는 대기 밀도를 고려한 확장 가능하고 계산 효율적인 제어 프레임워크를 개발하기 위해.
• 차등 항력 제어의 궤도상 실현 가능성과 운영 기수 배치 및 정지 유지에 대한 실증을 보여주기 위해.

제안 방법

• 컨트롤러는 이중 단계 최적화를 사용한다: 첫 번째 단계에서는 시뮬레이티드 앤날링을 사용하여 각 위성을 기수 내 특정 각도 위치에 할당하는 슬롯 할당기가 작동한다.
• 두 번째 단계에서는 모든 위성에 동시에 시간 이산화된 고저항 윈도우 명령을 계산하는 커맨드 생성기가 작동하며, 위상 조절 시간을 최소화하기 위해 큰 결합 시스템을 해결한다.
• 제어 능력은 저저항과 고저항 궤도 계수의 비율에서 유도되며, 위성들은 이산적인 항력 모드 사이를 전환한다.
• 이 방법은 시간에 따라 변하는 대기 밀도를 모델링하고 기수 내 상호 연결성을 포함하여 이전의 일정한 밀도 가정보다 정확도를 향상시킨다.
• 다중 위성 문제의 초기 추측값과 분석적 기준으로서 이중 위성 시간 최적 해가 사용된다.
• 실시간 궤도 결정 데이터로부터의 상대 운동 추정 및 궤도상 명령 실행을 통한 닫힌 루프 성능 검증이 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상호 연결된 동역학과 시간에 따라 변하는 대기 밀도를 고려할 때, 차등 항력 제어가 최대 100개의 위성 기수에 효과적으로 확장 가능한가?
• RQ2 위상 조절 문제를 두 개의 순차적인 최적화 문제로 분해하여 시간 최적 결과를 도출하면서도 실현 가능성을 유지할 수 있는가?
• RQ3 대기 밀도 변화와 위성 간 상호 연결성이 차등 항력 제어의 정확도와 견고성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이산 항력 모드 전환 기반 제어 계획이 궤도 운영에서 정밀하고 연료 없는 기수 위상 조절을 달성할 수 있는가?
• RQ5 확장성과 실제 성능 측면에서 이전의 접근 방식과 비교해 볼 때, 제안된 방법은 어떠한가?

주요 결과

• 차등 항력 컨트롤러는 Flock 2p 기수의 12개 위성을 태양 동반 궤도인 510km 고도에서 균일한 각도 간격과 상대 속도 0으로 성공적으로 위상 조절하였다.
• 모의 실험에서 최대 100개의 위성에 대해 시간 최적 위상 조절을 달성하여 시간에 따라 변하는 대기 밀도 하에서도 확장성과 견고성을 입증하였다.
• Flock 2p의 궤도상 결과는 컨트롤러 성능을 확인하였으며, 극좌표도에서 상대 각도 변화가 정확하게 목표 슬롯으로 수렴하는 것으로 나타났다.
• 이 방법은 기수 내 상호 연결성을 효과적으로 처리하여 분리된 접근 방식보다 해법의 실현 가능성과 최적성 향상을 이룩하였다.
• 88개 위성으로 구성된 Flock 3p 기수는 현재 동일한 컨트롤러를 사용하여 위상 조절 중이며, 대규모 기수에 대한 운영 가능성을 확인하였다.
• 분석적 이중 위성 해는 다중 위성 최적화의 초기화 및 검증에 성공적으로 사용되어 물리적 일관성을 확보하였다.