[논문 리뷰] Starling Formation-Flying Optical Experiment: Initial Operations and Flight Results

Justin Kruger, Soon S. Hwang외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 10.

Spacecraft Dynamics and Control인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 스타링크 형성비행 광학실험(StarFOX)을 이용하여 궤도상에서 자율적이고 다중 위성 간에 각도만을 이용한 항법의 최초의 궤도 시험을 수행한다. 항법을 위해 탑재된 카메라와 위성 간 통신 링크를 활용하여, 절대 및 상대 궤도 측정 시스템(ARTMS)은 이격된 항법을 가능하게 하며, 목표 거리의 0.6% 이내의 상대 위치 불확도를 달성한다. 이는 이동 수단의 조작 없이 자율적 초기화와 동시에 절대 및 상대 궤도 결정을 실현한다. 네 대의 큐브스팟 위성 스웜을 대상으로 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 궤도 지식이나 이동 조작에 의존하지 않고 소형 위성 스웜의 자율적이고 분산형 항법을 가능하게 하기 위해.
• 다중 관측자 및 다중 목표 측정 융합을 통해 각도만 이용 항법에서의 목표 거리 관측 가능성 부족 문제를 해결하기 위해.
• 오직 항법 각도 측정값만을 사용하여 알려지지 않은 비협조적 목표에 대해 자율적 초기화를 수행함으로써 상대 항법을 초기화하기 위해.
• 오직 광학적 항법 각도 데이터와 위성 간 통신만을 사용하여 동시에 절대 및 상대 궤도 결정을 달성하기 위해.
• 향후 태양계 외부 및 지구 궤도를 도는 분산형 우주 임무를 위한 확장 가능하고 저비용 항법 시스템의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• ARTMS 프레임워크는 이미지 처리(IMP), 배치 궤도 결정(BOD), 순차 궤도 결정(SOD)의 세 모듈을 통합한다.
• IMP는 타임태그된 이미지와 운동학적 모델링을 이용하여 다중 목표를 탐지하고 추적하며, 다중 가설 방법을 통해 항법 각도를 계산한다.
• BOD는 반복적 배치 최소 제곱법을 사용하여 초기 스웜 궤도를 추정하고, 항법 각도 배치에서 관측 가능성 부족인 목표 거리를 샘플링한다.
• SOD는 다중 관측자 측정값을 위성 간 교류 링크를 통해 융합함으로써 상태 추정치를 개선하기 위해 적응형 스무딩 칼만 필터를 적용한다.
• 위성 간 통신 데이터 공유를 통해 관측자 간 측정값 융합이 원활하게 이루어져 정밀도와 수렴성 향상이 가능하다.
• 시스템은 지상 간섭 없이 탑재된 상태에서 자율적으로 작동하며, 궤도 초기화나 항법 업데이트에 지상 개입이 필요하지 않다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 오직 탑재된 광학 센서와 위성 간 통신만을 사용하여 위성 스웜의 자율적이고 이격된 수렴이 가능한 각도만 이용 항법을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기존 궤도 지식이나 외부 업데이트 없이도 알려지지 않은 목표에 대해 상대 항법을 자율적으로 초기화할 수 있는가?
• RQ3 다중 관측자 측정값이 각도만 이용 항법에서 상대 위치 정확도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 위성 간 항법 각도 데이터 외에 글로벌 니어싱 시스템(GNSS)이나 지상 연락 없이 절대 궤도 상태를 얼마나 정확히 추정할 수 있는가?
• RQ5 빈약한 시야 확보 및 시간 동기화 오류와 같은 실제 비행 조건에서 각도만 이용 항법의 성능 한계는 무엇인가?

주요 결과

• StarFOX는 오직 탑재된 광학 센서와 위성 간 통신 링크만을 사용하여 자율적이고 이격된 수렴이 가능한 위성 스웜의 최초 궤도 시험을 성공적으로 수행하였다.
• 단일 관측자로는 상대 위치 불확도를 목표 거리의 1.3%로 줄였고, 다중 관측자로는 더욱 향상되어 0.6%로 감소시켰다(1σ).
• 알려지지 않은 목표에 대해 자율적 초기화를 성공적으로 수행하여, 사전 궤도 지식 없이도 비행 중 상태 추정이 가능함을 입증하였다.
• 외부 업데이트 없이도 항법 각도 측정값만을 사용하여 절대 궤도 오차를 수 킬로미터 수준에서 1km 이내로 개선했다.
• 빈약한 목표 시야 확보 및 시간 동기화 오류와 같은 과제에도 불구하고, 초기 실험 기간 동안 대부분의 사전 설정 목표가 달성되었다.
• 결과적으로 ARTMS는 향후 분산형 우주 임무에서 자율 항법을 위한 확장 가능하고 저비용 솔루션으로서의 타당성을 입증하였다.