[논문 리뷰] MinXSS-1 CubeSat On-Orbit Pointing and Power Performance: The First Flight of the Blue Canyon Technologies XACT 3-axis Attitude Determination and Control System

James Mason, Matt Baumgart외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 21.

Spacecraft Design and Technology인용 수 25

한 줄 요약

이 논문은 미니어처 스파이스 서브시스템-1(.MinXSS-1) 큐브스터 쌍성에서 블루 캐년 테크놀로지스의 XACT 3축 자세 결정 및 제어 시스템(ADCS)의 궤도상 성능을 평가하며, 0.0042°–0.0117°(15″–42″, 3σ)의 자세 제어 정밀도와 가짜 피크 파워 트래커를 통한 65%의 전력 여유를 통해 전력 시스템 안정성을 입증한다. 시스템은 사양을 초월하여 탈궤될 때까지 신뢰성 있게 작동했으며, 소형 위성 임무의 ADCS 및 전력 시스템 설계를 검증한다.

ABSTRACT

The Miniature X-ray Solar Spectrometer (MinXSS) is a 3 Unit (3U) CubeSat designed for a 3-month mission to study solar soft X-ray spectral irradiance. The first of the two flight models was deployed from the International Space Station in 2016 May and operated for one year before its natural deorbiting. This was the first flight of the Blue Canyon Technologies XACT 3-axis attitude determination and control system -- a commercially available, high-precision pointing system. We characterized the performance of the pointing system on orbit including performance at low altitudes where drag torque builds up. We found that the pointing accuracy was 0.0042\\degree\\ - 0.0117\\degree\\ (15$''$ - 42$''$, 3$\\sigma$, axis dependent) consistently from 190 km - 410 km, slightly better than the specification sheet states. Peak-to-peak jitter was estimated to be 0.0073\\degree\\ (10 s$^{-1}$) - 0.0183\\degree\\ (10 s$^{-1}$) (26$''$ (10 s$^{-1}$) - 66$''$ (10 s$^{-1}$), 3$\\sigma$). The system was capable of dumping momentum until an altitude of 185 km. We found small amounts of sensor degradation in the star tracker and coarse sun sensor. Our mission profile did not require high-agility maneuvers so we are unable to characterize this metric. Without a GPS receiver, it was necessary to periodically upload ephemeris information to update the orbit propagation model and maintain pointing. At 400 km, these uploads were required once every other week. At $\\sim$270 km, they were required every day. We also characterized the power performance of our electric power system, which includes a novel pseudo-peak power tracker -- a resistor that limited the current draw from the battery on the solar panels. With 19 30\\% efficient solar cells and an 8 W system load, the power balance had 65\\% of margin on orbit. We present several recommendations to other CubeSat programs throughout.

연구 동기 및 목표

• 블루 캐년 테크놀로지스의 XACT 3축 ADCS가 3U 큐브스터에서 궤도상 성능을 평가하기 위해.
• 다양한 고도에서 XACT 시스템의 자세 정밀도, 진동, 동량 방출 능력을 특성화하기 위해.
• 궤도 조건에서 신규로 개발된 가짜 피크 파워 트래킹(PPPT) 전력 시스템(EPS)의 성능을 평가하기 위해.
• 저궤도에서의 이포데이트 업데이트 빈도 및 센서 노후화와 같은 운영 과제를 식별하기 위해.
• 궤도 경험을 바탕으로 향후 큐브스터 임무를 위한 실질적인 권고 사항을 제공하기 위해.

제안 방법

• XACT ADCS는 국제우주정거장에서 411km 고도로 발사된 3U 큐브스터인 MinXSS-1에서 운영되었다.
• 자세 성능은 항성 추적기와 저밀도 태양 센서 데이터를 사용하여 궤도상에서 평가되었으며, 정밀도와 진동은 3σ 측정값으로 계산되었다.
• 전력 시스템은 전통적인 PPT나 샤프트를 대체하기 위해 가짜 피크 파워 트래커(PPPT)로 고정 저항기를 사용하여 파워 오실레이션을 방지하였다.
• 배터리 충전 상태와 전압은 Maxim MAX17049 연료 게이지 칩을 통해 모니터링되었으며, 전력 균형 평가에 사용되었다.
• 궤도 예측 정확도를 유지하기 위해 이포데이트 업데이트를 주기적으로 업로드하였으며, 궤도 감쇠가 진행됨에 따라 빈도가 증가하였다.
• 전력 생성량은 세 개의 패널에 분포된 19개의 태양 전지에서의 현장 전압 및 전류 측정값으로 계산되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 190–410km 고도 범위에서 XACT 3축 ADCS의 궤도상 자세 정밀도 및 진동 성능은 어떠한가?
• RQ2 가짜 피크 파워 트래킹(PPPT) 설계는 완전한 PPT나 샤프트 없이도 전력 수익성을 유지하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 우주선이 400km에서 185km로 궤도 감쇠함에 따라 정확한 궤도 예측을 위해 이포데이트 업데이트가 필요한 빈도는 얼마인가?
• RQ4 저궤도에서 장기적인 큐브스터 운영 동안 센서 노후화(예: 항성 추적기 및 태양 센서)는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 MinXSS-1 임무를 바탕으로 향후 소형 위성 임무를 위한 운영 및 설계 권고 사항은 무엇인가?

주요 결과

• XACT ADCS는 0.0042°–0.0117°(15″–42″, 3σ)의 자세 정밀도를 달성하여 사양서를 초월하였으며, 190km에서 410km 범위에서 일관된 성능을 유지하였다.
• 10s⁻¹에서 피크 톱-투-톱 진동은 0.0073°–0.0183°(26″–66″, 3σ)로 측정되어 안정적인 자세 제어 성능을 나타내었다.
• XACT 시스템은 185km 고도까지 동량을 방출하여 고저항 환경에서도 기능 가능성을 입증하였다.
• PPPT 기반 전력 시스템은 궤도상에서 65%의 전력 여유를 유지하였으며, 평균 전력 생성량은 10.81W, 최대 소비 전력은 20W에 달했다.
• 400km 고도에서는 이포데이트 업데이트가 2주에 한 번 필요했으나, 약 270km 고도에서는 궤도 감쇠와 예측 오차 증가로 인해 매일 필요해졌다.
• 고정 저항기 기반 PPPT로 인해 배터리 충전 상태(SoC)는 40%에서 80% 사이를 진동하였으며, 이는 SoC 범위를 제한했지만 전력 오실레이션을 방지하고 시스템의 전력 수익성을 확보하였다.