[论文解读] Orbit Determination and Differential-drag Control of Planet Labs Cubesat Constellations

Cyrus Foster, Henry Hallam+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2015

Spacecraft Design and Technology参考文献 3被引用 56

一句话总结

本文提出了一种基于双向UHF测距的可扩展双程UHF测距轨道确定系统，以及一种用于维持Planet Labs无推进立方星星座中精确相对间距的差分气动控制策略。该方法实现了X频段下行链路的高精度轨道预测，并在六个月内成功实现了10颗卫星在太阳同步轨道上的近乎均匀间距与近乎零相对速度，验证了大规模星座的被动保持轨道控制的可行性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种适用于大规模小型卫星星座的可靠、独立的轨道确定系统，以克服低地球轨道中JSpOC TLE的局限性。
• 在单个轨道平面内，通过调节大气阻力实现无星上推进的立方星精确相对运动控制。
• 通过提供高精度星历，确保地面站对高带宽X频段下行链路的精确指向。
• 通过被动的、无需燃料的保持方法，实现并维持太阳同步轨道中卫星的等间距分布。
• 展示该方法在100颗以上卫星同时部署的未来星座中的可扩展性。

提出的方法

• 在地面站执行双向UHF测距，以获得精确的飞行时间测量值，用于独立于JSpOC的轨道确定。
• 将测距数据拟合至高精度数值积分器，并采用详细的动力学力模型，生成高精度星历。
• 通过预测算法基于大气模型和预测的相对运动，确定最优高阻力窗口的持续时间与时机。
• 卫星通过调整姿态改变其球形系数，从而在低阻力与高阻力模式之间切换，改变轨道衰减速率。
• 控制算法通过新测距数据迭代更新并重新优化，以在扰动存在的情况下维持期望的相对间距。
• 系统使用卫星序列号在测距报文中唯一标识每颗航天器，消除交叉标记错误。

实验结果

研究问题

• RQ1 双向UHF测距能否提供足够高的轨道确定精度，以支持低地球轨道中X频段下行链路的高精度地面站天线指向？
• RQ2 在无推进条件下，差分气动控制在单个轨道平面内能多准确地维持立方星之间的相对间距与相对速度？
• RQ3 在密集、低高度星座中，使用UHF测距在多大程度上减少了对JSpOC TLE的依赖，特别是？
• RQ4 仅通过基于姿态的气动调节，长期（如六个月）内相对运动控制的可实现精度与稳定性如何？
• RQ5 当命令上传存在延迟时，系统如何处理并维持星座的轨道相位同步？

主要发现

• 双向UHF测距系统实现了足够高的轨道确定精度，使地面站指向误差小于0.2°，优于JSpOC TLE的可靠性。
• JSpOC TLE在低高度立方星上表现出高度可变的精度，短时间间隔内误差范围从不足1公里到超过100公里不等，主要由于测量噪声和交叉标记错误。
• 差分气动控制算法在六个月内成功将10颗卫星相位调整至近乎均匀分布的轨道位置，实现了近乎零相对速度。
• 仿真与在轨数据证实，高阻力窗口可被精确控制以纠正相对运动，图9显示最终配置中仅有极小的间隙与聚集。
• 即使在命令上传延迟期间，系统通过重新优化轨道位置分配与重新规划高阻力窗口，仍保持了精确的相对运动控制。
• 该方法展示了在大规模星座中实现被动保持轨道控制的可行性，且具有扩展至单个轨道平面内100颗以上卫星的潜力。