[論文レビュー] Differential Drag Control Scheme for Large Constellation of Planet Satellites and On-Orbit Results

Cyrus Foster, James Mason+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2018

Spacecraft Dynamics and Control参考文献 20被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、推力装置を装備しない大規模な惑星衛星のコンステレーションに対して、時間最適最適化を用いて衛星を角度位置のスロットに割り当て、高抵抗コマンドを生成する2段階の微分抵抗制御方式を提示する。この手法は、Flock 2pミッションの12個のキューブサットの位相合わせに成功し、現在は88個の衛星を含むFlock 3pでも活用されており、結合された動的特性と時間変動する大気密度を考慮したスケーラブルで燃料を消費しないコンステレーション位相合わせの軌道上での検証を示している。

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.

研究の動機と目的

• 推力装置のない小型衛星の同じ軌道上における正確で燃料消費のないコンステレーション位相合わせを可能にすること。
• 推力装置が存在しない場合の相対的間隔と角度オフセットの維持という課題に対処すること。
• 結合された衛星の動的特性と時間変動する大気密度を考慮した、スケーラブルで計算効率の良い制御フレームワークの開発。
• 微分抵抗制御の運用上のコンステレーション展開およびステーションキープの実用可能性を軌道上で実証すること。

提案手法

• 制御器は2段階の最適化を用いる：まず、焼きなまし法を用いてシミュレートされたアニーリングにより、各衛星をコンステレーション内の特定の角度位置に割り当てるスロット割り当て器が機能する。
• 次に、時間離散化された高抵抗ウィンドウコマンドを、すべての衛星に対して同時に計算するコマンドジェネレータが、位相合わせ時間を最小化するための大規模な結合系を解く。
• 制御能力は、低抵抗と高抵抗のボールスティック係数の比から得られ、衛星は離散的な抵抗モードを切り替える。
• この手法は時間変動する大気密度をモデル化し、コンステレーション内結合を含めており、従来の定常密度仮定よりも精度が向上する。
• 2衛星の時間最適解は、多衛星問題における初期推定値および解析的ベンチマークとして使用され、多衛星最適化の物理的整合性を保証する。
• 閉ループ性能は、軌道決定データからのリアルタイム相対運動推定と軌道上でのコマンド実行を用いて検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 結合された動的特性と時間変動する大気密度を考慮した場合、微分抵抗制御を最大100個の衛星のコンステレーションにスケーラブルに適用できるか？
• RQ2 位相合わせ問題を2段階の逐次的最適化問題にどのように分解することで、時間最適な結果を得つつ実行可能性を維持できるか？
• RQ3 大気密度の変動と衛星間結合が、微分抵抗制御の精度とロバストネスに与える影響は何か？
• RQ4 離散的抵抗モード切り替えに基づく制御方式は、軌道上運用において正確で燃料消費のないコンステレーション位相合わせを達成できるか？
• RQ5 本手法は、スケーラビリティおよび実世界でのパフォーマンスの観点から、従来の手法と比較してどのように優れているか？

主な発見

• 微分抵抗制御器は、太陽同期軌道（510 km）に位置する12個の衛星からなるFlock 2pコンステレーションを、均等な角度間隔と相対速度ゼロで位相合わせに成功した。
• シミュレーションでは、100個までの衛星に対して時間最適な位相合わせを達成し、時間変動する大気密度下でもスケーラビリティとロバストネスを示した。
• Flock 2pの軌道上での結果は、制御器の性能を確認しており、極座標プロットは正確な相対角度の変化と目標スロットへの収束を示している。
• 本手法はコンステレーション内結合を効果的に処理し、独立したアプローチと比較して解の実行可能性と最適性が向上した。
• 現在、88個の衛星を含むFlock 3pコンステレーションは、同じ制御器を用いて位相合わせが進行中であり、大規模コンステレーションにおける運用可能性を確認している。
• 解析的2衛星解は、多衛星最適化の初期化および検証に成功し、物理的整合性を保証した。