[논문 리뷰] Orbit Determination and Differential-drag Control of Planet Labs Cubesat Constellations

Cyrus Foster, Henry Hallam외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 10.

Spacecraft Design and Technology참고 문헌 3인용 수 56

한 줄 요약

이 논문은 추진력이 없는 Planet Labs의 큐브사트 기반 기수군에서 정밀한 상대 간격 유지를 위한 확장 가능한 두 방향 UHF 거리 측정 기반 궤도 결정 시스템과 차등 항공저항 제어 전략을 제시한다. 이 방법은 X밴드 다운링크를 위한 정확한 궤도 예측을 가능하게 하였고, 6개월 간의 10개 위성으로 구성된 태양 동반 궤도 기수군에서 근사적으로 균일한 위성 간격과 근사적으로 0에 가까운 상대 속도를 성공적으로 달성하여 수동 기수 유지 기술의 타당성을 입증하였다.

ABSTRACT

We present methodology and mission results from orbit determination of Planet Labs nanosatellites and differential-drag control of their relative motion. Orbit determination (OD) is required on Planet Labs satellites to accurately predict the positioning of satellites during downlink passes and we present a scalable OD solution for large fleets of small satellites utilizing two-way ranging. In the second part of this paper, we present mission results from relative motion differential-drag control of a constellation of satellites deployed in the same orbit.

연구 동기 및 목표

• 저궤도에서 JSpOC TLE의 한계를 극복하기 위해 대규모 소형 위성 기수군을 위한 신뢰성 있고 독립적인 궤도 결정 시스템을 개발하는 것.
• 항공저항 조절을 통해 추진력이 없는 단일 궤도 평면 내 큐브사트의 정밀한 상대 운동 제어를 가능하게 하는 것.
• 고대역폭 X밴드 다운링크를 위한 정확한 지상국 조준을 보장하기 위해 고정밀 에프레미디스를 제공함으로써 지상국 조준 정확도를 향상시키는 것.
• 연료 없는 수동 기수 유지 방법을 사용하여 태양 동반 궤도에서 균일한 위성 간격을 확보하고 유지하는 것.
• 향후 동시에 100+ 위성으로 구성된 기수군에 적용 가능한 확장성의 증명

제안 방법

• 지상국에서 두 방향 UHF 거리 측정을 수행하여 궤도 결정을 위한 정밀한 도착 시간 측정을 확보하고, JSpOC에 의존하지 않는 독립적 궤도 결정을 실현한다.
• 거리 측정 데이터를 고정밀 수치적 전파기와 세밀한 힘 모델에 맞춰 정확한 에프레미디스를 생성한다.
• 대기 모델과 예측된 상대 운동을 기반으로 최적의 고저항 윈도우 지속 시간과 시기를 결정하는 예측 알고리즘을 적용한다.
• 위성들이 자세 조절을 통해 궤도 계수를 변화시켜 저저항 및 고저항 모드를 전환함으로써 궤도 붕괴 속도를 조절한다.
• 새로운 거리 측정 데이터를 반영하여 제어 알고리즘을 반복적으로 업데이트하고 재최적화하여 외란에도 불구하고 원하는 상대 간격을 유지한다.
• 거리 측정 패킷 내 위성 일련번호를 사용하여 각 우주선을 유일하게 식별함으로써 교차 태깅 오류를 방지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 두 방향 UHF 거리 측정이 저궤도에서 고정밀 X밴드 다운링크 지상국 조준을 위한 궤도 결정 정확도를 충족할 수 있는가?
• RQ2 추진력이 없는 단일 궤도 평면 내 큐브사트 간의 상대 간격과 상대 속도를 차등 항공저항 제어로 얼마나 정밀하게 유지할 수 있는가?
• RQ3 특히 고밀도, 저고도 기수군에서 UHF 거리 측정의 사용이 JSpOC TLE에 대한 의존도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 오직 자세 기반 항공저항 조절만을 사용할 경우, 장기간(예: 6개월) 동안 상대 운동 제어의 가시적 정확도와 안정성은 어느 정도인가?
• RQ5 명령 업로드 지연 상황에서 시스템은 어떻게 운영 중단 기간 동안 기수군의 위상 유지 및 제어를 수행하는가?

주요 결과

• 두 방향 UHF 거리 측정 시스템은 X밴드 다운링크에 대한 지상국 조준 오차가 0.2° 이내로 유지될 수 있을 정도의 궤도 결정 정확도를 확보하였으며, JSpOC TLE의 신뢰성을 초월하였다.
• 저고도 큐브사트의 JSpOC TLE는 측정 노이즈와 교차 태깅으로 인해 짧은 간격 동안 1km 미만에서 100km 이상의 오차를 보이며 매우 변동성이 높았다.
• 차등 항공저항 제어 알고리즘은 6개월 간의 운영 기간 동안 600km 태양 동반 궤도에서 10개 위성을 근사적으로 균일한 간격의 슬롯으로 정렬하여 근사적으로 0에 가까운 상대 속도를 달성하였다.
• 시뮬레이션 및 궤도상 데이터는 고저항 윈도우를 정밀하게 타이밍 조절하여 상대 운동을 보정할 수 있음을 확인하였으며, 그림 9는 최종 구성에서 최소한의 간격 틈과 군집 현상이 관찰되는 결과를 보여준다.
• 명령 업로드 지연 기간 동안에도 재최적화된 슬롯 할당 및 고저항 윈도우 재계획을 통해 정확한 상대 운동 제어를 유지하였다.
• 이 방법은 대규모 기수군에서 수동 기수 유지의 실현 가능성을 입증하였으며, 단일 궤도 평면 내 100+ 위성으로의 확장 가능성도 보였다.