[论文解读] 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 14

一句话总结

本文提出了一种针对无推进器Planet卫星大星座的两阶段微分阻力控制方案，采用时间最优优化方法为卫星分配角度位置并生成高阻力指令。该方法成功实现了Flock 2p任务中12颗立方星的轨道相位调整，并已实际应用于88颗卫星的Flock 3p任务，验证了在耦合动力学与时变大气密度条件下，可扩展、无需燃料的星座相位控制在轨可行性。

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.

研究动机与目标

• 实现同一轨道上无推进器小型卫星大星座的精确、无燃料相位控制。
• 解决无推进系统情况下维持星座相对间距与角度偏移的挑战。
• 开发一种可扩展、计算高效的控制框架，考虑卫星间的耦合动力学与时变大气密度。
• 展示微分阻力在轨可行性，用于实际星座部署与保持任务。

提出的方法

• 控制器采用两阶段优化：首先，通过模拟退火算法的槽位分配器为每颗卫星分配星座中的特定角度位置。
• 其次，指令生成器同时为所有卫星计算离散时间的高阻力窗口指令，求解大规模耦合系统以最小化相位调整时间。
• 控制能力源自低阻力与高阻力阻力系数的比值，卫星在离散阻力模式间切换。
• 该方法建模了时变大气密度，并包含星座内耦合效应，相较于以往恒定密度假设，显著提升了精度。
• 两卫星时间最优解用作多卫星问题的初始猜测与解析基准。
• 通过轨道确定数据的实时相对运动估计与在轨指令执行，对闭环性能进行了验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 微分阻力能否有效扩展至控制多达100颗卫星的星座，同时考虑耦合动力学与时变大气密度？
• RQ2 如何将相位调整问题分解为两个顺序优化问题，以实现时间最优结果并保持可行性？
• RQ3 大气密度变化与卫星耦合对微分阻力控制的精度与鲁棒性有何影响？
• RQ4 基于离散阻力模式切换的控制方案能否在轨实现精确、无燃料的星座相位控制？
• RQ5 与以往方法相比，该方法在可扩展性与实际性能方面表现如何？

主要发现

• 微分阻力控制器成功将12颗卫星的Flock 2p星座相位调整至510公里太阳同步轨道，实现均匀角度间隔与零相对速度。
• 仿真结果表明，该控制器在多达100颗卫星的情况下仍能实现时间最优相位调整，验证了在时变大气密度下的可扩展性与鲁棒性。
• Flock 2p任务的在轨结果证实了控制器性能，极坐标图显示相对角度演化准确，收敛至目标位置。
• 该方法有效处理星座内耦合效应，相较于解耦方法，显著提升了解的可行性与最优性。
• 目前正使用同一控制器对88颗卫星的Flock 3p星座进行相位调整，证实了其在大规模星座中的实际可行性。
• 解析的两卫星解成功用于初始化与验证多卫星优化，确保了物理一致性。