[论文解读] A planning tool for optimal three-dimensional formation flight maneuvers of satellites in VLEO using aerodynamic lift and drag via yaw angle deviations

Constantin Traub, Stefanos Fasoulas+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Spacecraft Dynamics and Control参考文献 37被引用 17

一句话总结

本文提出了一种新颖的最优规划工具，用于在非常低地球轨道（VLEO）中通过偏航角偏差实现差动气动升力与阻力的三维卫星编队飞行。通过基于偏航的力调节，同时控制平面内和面外的相对运动，该工具在机动过程中最小化轨道衰减，从而在考虑J2扰动、大气共旋转和可变大气密度的前提下，最大化卫星寿命和任务可持续性。

ABSTRACT

Differential drag is a promising option to control the relative motion of distributed satellites in the Very Low Earth Orbit regime which are not equipped with dedicated thrusting devices. A major downside of the methodology, however, is that its control authority is (mainly) limited to the in-plane relative motion control. By additionally applying differential lift, however, all three translational degrees-of-freedom become controllable. In this article, we present a tool to flexibly plan optimal three-dimensional formation flight maneuvers via differential lift and drag. In the planning process, the most significant perturbing effects in this orbital regime, namely the J2 effect and atmospheric forces, are taken into account. Moreover, varying atmospheric densities as well as the co-rotation of the atmosphere are considered. Besides its flexible and high-fidelity nature, the major assets of the proposed methodology are that the in-and out-of-plane relative motion are controlled simultaneously via deviations in the yaw angles of the respective satellites and that the planned trajectory is optimal in a sense that the overall decay during the maneuver is minimized. Thereby, the remaining lifetime of the satellites is maximized and the practicability and sustainability of the methodology significantly increased. To the best of the authors knowledge, a tool with the given capabilities has not yet been presented in literature. The resulting trajectories for three fundamentally different relevant formation flight maneuvers are presented and discussed in detail in order to indicate the vast range of applicability of the tool.

研究动机与目标

• 通过实现全3D相对运动控制，解决现有差动阻力方法仅能控制平面内相对运动的局限性。
• 开发一种高保真度、灵活的规划工具，以考虑VLEO中的关键扰动，包括J2效应和大气力。
• 在编队机动过程中最小化整体轨道衰减，以最大化卫星剩余寿命和任务可持续性。
• 通过优化偏航角偏差的控制能力，实现无需推进器的实用编队飞行，适用于小型卫星。
• 为未来与星上模型预测控制及卫星设计优化的集成提供基础。

提出的方法

• 使用GPOPS-II公式化最优控制问题，以计算卫星编队机动的最小衰减轨迹。
• 采用标准阻力和升力方程建模气动力，通过指令化的偏航角偏差实现平面内和面外的差动力生成。
• 将时变大气密度和地球大气共旋转效应纳入轨道动力学模型。
• 使用近乎非奇异轨道元素（Ens）以改善长时间机动仿真中的数值条件和稳定性。
• 应用Brouwer-Lyddane变换，将瞬时轨道元素转换为平均轨道元素，以实现鲁棒的轨道传播。
• 通过偏航角调制同时控制平面内（通过差动阻力）和面外（通过差动升力）的相对运动，实现全3D机动能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 偏航角偏差是否能够在VLEO中实现对卫星编队平面内和面外相对运动的同时控制？
• RQ2 纳入大气共旋转和时变密度后，对气动编队机动的最优性和可行性有何影响？
• RQ3 通过偏航控制实现的差动升力与阻力，能在多大程度上最小化3D编队飞行机动过程中的轨道衰减？
• RQ4 与依赖恒定大气密度或bang-bang控制剖面的先前方法相比，该方法在性能和保真度方面表现如何？
• RQ5 该规划工具与星上模型预测控制集成以实现实时轨迹跟踪的潜力有多大？

主要发现

• 所提出的工具通过偏航角偏差同时生成差动阻力和升力，实现了在VLEO中全三维相对运动控制。
• 通过在机动过程中最小化整体轨道衰减，该工具显著延长了卫星剩余寿命，极大提升了任务可持续性。
• 该方法考虑了J2效应、大气共旋转和可变大气密度等关键扰动，提升了轨迹保真度。
• 三种不同的测试案例——重新配置、保持站位和避碰——证明了该工具在基本任务类型中的广泛应用性。
• 该方法优于先前方法，无需使用推进器，避免了bang-bang控制，并实现了平滑、最优的控制剖面。
• 该工具被认定为未来星上补偿、卫星设计优化和高保真动态仿真验证工作的基础平台。