[논문 리뷰] Towards End-To-End Design of Spacecraft Swarms for Small-Body Reconnaissance

Ravi Teja Nallapu, Jekan Thangavelautham|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 09.

Astro and Planetary Science참고 문헌 9인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 행성의衛성 타깃으로 인공위성 무리의 종단간 미션 설계를 가능하게 하는 IDEAS 소프트웨어 프레임워크, 특히 자동화된 무리 설계 모듈을 제시한다. 이는 이전의 소행성 탐사 무리 설계를 발전시켜 작은 영향권, thủy권, 그리고 제한된 일조량 등의 과제를 해결하며, 최적화된 무리 구성이 자동으로 미션에 맞는 설계 합성을 통해 소행성 표면의 포괄적 표층 커버리지 달성 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

The exploration of small bodies in the Solar System is a high priority planetary science. Asteroids, comets, and planetary moons yield important information about the evolution of the Solar System. Additionally, they could provide resources for a future space economy. While much research has gone into exploring asteroids and comets, dedicated spacecraft missions to planetary moons are few and far between. There are three fundamental challenges of a spacecraft mission to the planetary moons: The first challenge is that the spheres of influence of most moons (except that of Earth) are small and, in many cases, virtually absent. The second is that many moons are tidally locked to their planets, which means that an observer on the planet will have an entire hemisphere, which is always inaccessible. The third challenge is that at a given time about half of the region will be in the Sun's shadow. Therefore, a single spacecraft mission to observe the planetary moon cannot provide complete coverage. Such a complex task can be solved using a swarm approach, where the mapping task is delegated to multiple low-cost spacecraft. Clearly, the design of a swarm mission for such a dynamic environment is challenging. For this reason, we have proposed the Integrated Design Engineering & Automation of Swarms (IDEAS) software to perform automated end-to-end design of swarm missions. Specifically, it will use a sub-module known as the Automated Swarm Designer module to find optimal swarm configurations suited for a given mission. In our previous work, we have developed the Automated Swarm Design module to find swarm configurations for asteroid mapping operations. In this work, we will evaluate the capability of the Automated Swarm module to design missions to planetary moons.

연구 동기 및 목표

• 과학적 잠재력과 자원 잠재력이 크지만 전용 임무가 부족한 행성의衛성에 대한 문제 해결을 위해.
• 작은 영향권, 수직 고정, 제한된 일조량과 같은 세 가지 핵심 과제를 식별하고 이를 극복하기 위해.
• 소행성 탐사 무리 설계에서 유래한 자동화된 무리 설계 모듈을 행성의衛성 임무로 확장하기 위해.
• 통합 소프트웨어 자동화를 통해 저비용, 고커버리지 무리 임무의 종단간 설계를 가능하게 하기 위해.
• 소형 천체 표면의 완전한 지도 제작을 위한 무리 기반 정찰의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• IDEAS 프레임워크는 전용 자동화된 무리 설계 모듈을 통해 미션 수준 설계와 자율적 무리 구성 합성을 통합한다.
• 이 모듈은 궤도 역학, 조명, 시야 등 미션 특화 제약 조건을 다중 목표 최적화 프레임워크 내에서 활용한다.
• 수직 고정과 그림자 영역을 포함한 행성의衛성의 동적 환경을 모델링하여 무리 배치를 안내한다.
• 스웜 구성의 매개변수 표현을 사용하여 커버리지, 통신, 연료 효율성 최적화를 수행한다.
• 이전의 소행성 무리 설계 연구를 활용하고, 이를 행성의衛성 궤도의 고유한 역학성에 맞게 적응시킨다.
• 미션 목표에 맞게 최적의 무리 아키텍처를 반복적으로 자동 생성하는 데 지원한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자동화된 설계 프레임워크가 행성의衛성 정찰 임무를 위한 실현 가능한 무리 구성 생성이 가능한가?
• RQ2 수직 고정과 그림자와 같은 환경 제약 조건이 필요한 무리 크기와 구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 자동화된 무리 설계 모듈이 소행성 탐사에서의 성공을 행성의衛성 임무로 확장할 수 있는 정도는 어느 정도인가?
• RQ4 무리 기반의月 임무에서 커버리지 완전성, 통신 범위, 연료 효율성 간의 상호 교환 관계는 어떻게 드러나는가?
• RQ5 종단간 설계 프로세스는 다양한 소형 천체 타깃에 대해 얼마나 견고하고 확장 가능한가?

주요 결과

• 자동화된 무리 설계 모듈은 행성의衛성 임무에 대해 실현 가능한 무리 구성 생성에 성공하여, 소행성 탐사 외적 적용 가능성도 입증했다.
• 프레임워크는 지속적인 그림자 영역과 수직 고정으로 인한 제한된 시야로 인해 무리 크기와 형성 기하학이 동적으로 조정되어야 한다는 점을 규명했다.
• 최적의 무리 구성은 일시적인 시야 확보 기회를 전략적으로 활용하여 거의 완전한 표면 커버리지 달성에 성공했다.
• 단일 위성에 대한 의존도를 줄이기 위해 맵핑 작업을 다수의 저비용 플랫폼에 분산함으로써 임무의 내구성을 향상시켰다.
• 설계 루프에 환경 제약 조건을 통합함으로써 생성된 무리 아키텍처의 현실성과 실현 가능성이 크게 향상되었다.
• 결과적으로 종단간 자동 설계가 복잡하고 동적인 소형 천체 임무에 대해 실현 가능하며, 대규모 임무 기획을 가능하게 한다는 점을 확인했다.