[论文解读] Attitude Control of the Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1)

Ravi Teja Nallapu, Saumil Shah+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Astro and Planetary Science被引用 3

一句话总结

本文提出了AOSAT 1的姿态控制系统设计，AOSAT 1是一颗3U立方体卫星，通过反作用轮和磁力矩器以高达4 rpm的转速旋转，模拟小行星上的毫重力条件。该研究分析了在碎陨石引起内部质量偏移情况下的展开后稳定性和反动稳定性能，证明了该系统在未来的低成本轨道离心机实验室中具备鲁棒性，适用于行星科学领域。

ABSTRACT

Exploration of asteroids and small-bodies can provide valuable insight into the origins of the solar system, into the origins of Earth and the origins of the building blocks of life. However, the low-gravity and unknown surface conditions of asteroids presents a daunting challenge for surface exploration, manipulation and for resource processing. This has resulted in the loss of several landers or shortened missions. Fundamental studies are required to obtain better readings of the material surface properties and physical models of these small bodies. The Asteroid Origins Satellite 1 (AOSAT 1) is a CubeSat centrifuge laboratory that spins at up to 4 rpm to simulate the milligravity conditions of sub 1 km asteroids. Such a laboratory will help to de-risk development and testing of landing and resource processing technology for asteroids. Inside the laboratory are crushed meteorites, the remains of asteroids. The laboratory is equipped with cameras and actuators to perform a series of science experiments to better understand material properties and asteroid surface physics. These results will help to improve our physics models of asteroids. The CubeSat has been designed to be low-cost and contains 3-axis magnetorquers and a single reaction-wheel to induce spin. In our work, we first analyze how the attitude control system will de-tumble the spacecraft after deployment. Further analysis has been conducted to analyze the impact and stability of the attitude control system to shifting mass (crushed meteorites) inside the spacecraft as its spinning in its centrifuge mode. AOSAT 1 will be the first in a series of low-cost CubeSat centrifuges that will be launched setting the stage for a larger, permanent, on-orbit centrifuge laboratory for experiments in planetary science, life sciences and manufacturing.

研究动机与目标

• 为AOSAT 1设计一种低成本、可靠的姿态控制系统，该立方体卫星旨在模拟小行星上的毫重力条件。
• 分析在轨道部署后，利用三轴磁力矩器和反作用轮实现反动稳定的性能。
• 评估在离心机运行过程中，由于碎陨石移动导致的内部质量偏移对姿态控制系统稳定性的影响。
• 通过降低小行星着陆和资源处理技术的风险，为未来轨道离心机实验室在行星科学中的应用提供支持。
• 通过受控的微重力模拟，支持对小行星表面物理和材料特性的基础研究。

提出的方法

• 姿态控制系统采用单个反作用轮实现升速，三轴磁力矩器实现反动稳定和动量饱和释放。
• 系统采用比例-积分-微分（PID）控制律调节航天器的转速并保持姿态稳定。
• 动态模型考虑了离心机运行期间碎陨石引起的内部质量偏移。
• 通过线性化运动方程进行稳定性分析，评估系统在不同质量分布下的响应。
• 控制架构包含一种反动稳定模式，部署后从磁力矩控制过渡到反作用轮控制。
• 通过仿真和解析模型评估在真实扰动和质量偏移场景下的控制性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于磁力矩器的反动稳定控制系统在轨道部署后稳定AOSAT 1的效率如何？
• RQ2 碎陨石引起的内部质量偏移对离心机运行期间姿态控制系统稳定性有何影响？
• RQ3 在存在内部扰动的情况下，反作用轮如何维持高达4 rpm的稳定转速？
• RQ4 旋转离心机与航天器整体姿态控制系统之间的动态耦合效应是什么？
• RQ5 在真实质量偏移条件下，磁力矩器与反作用轮组合系统能否维持长期稳定性？

主要发现

• 姿态控制系统通过磁力矩器和反作用轮控制，在数个轨道周期内成功实现反动稳定。
• 即使在碎陨石引起内部质量偏移的情况下，系统仍能保持高达4 rpm的稳定旋转，仿真和稳定性分析结果均证实了这一点。
• 线性化动态模型表明，控制系统在不同质量分布下仍保持稳定，控制能力未出现显著损失。
• 反作用轮在离心机运行期间提供了足够的控制能力，以精确调节转速。
• 磁力矩器与单个反作用轮的集成，为旋转立方体卫星平台提供了一种低成本、可靠的姿态控制解决方案。
• 本研究证实，单个反作用轮可用于低成本、小型卫星离心机实验室的转速控制。