[论文解读] Starling Formation-Flying Optical Experiment: Initial Operations and Flight Results

Justin Kruger, Soon S. Hwang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2024

Spacecraft Dynamics and Control被引用 4

一句话总结

本论文首次在轨演示了利用星链编队飞行光学实验（StarFOX）实现自主、多星仅角度导航。通过利用星载相机和星间链路，绝对与相对轨道测量系统（ARTMS）实现了无需机动的分布式导航，相对定位不确定性低至目标距离的0.6%，实现了自主初始化，并同时完成四颗立方星的绝对与相对轨道确定。

ABSTRACT

This paper presents initial flight results for distributed optical angles-only navigation of a swarm of small spacecraft, conducted during the Starling Formation-Flying Optical Experiment (StarFOX). StarFOX is a core payload of the NASA Starling mission, which consists of four CubeSats launched in 2023. Prior angles-only flight demonstrations have only featured one observer and target and have relied upon a-priori target orbit knowledge for initialization, translational maneuvers to resolve target range, and external absolute orbit updates to maintain convergence. StarFOX overcomes these limitations by applying the angles-only Absolute and Relative Trajectory Measurement System (ARTMS), which integrates three novel algorithms. Image Processing detects and tracks multiple targets in images from each satellite's on-board camera. Batch Orbit Determination computes initial swarm orbit estimates from bearing angle batches. Sequential Orbit Determination leverages an unscented Kalman filter to refine swarm state estimates over time. Multi-observer measurements shared over an intersatellite link are seamlessly fused to enable absolute and relative orbit determination. StarFOX flight data presents the first demonstrations of autonomous angles-only navigation for a satellite swarm, including multi-target and multi-observer relative navigation; autonomous initialization of navigation for unknown targets; and simultaneous absolute and relative orbit determination. Relative positioning uncertainties of 1.3% of target range (1$σ$) are achieved for a single observer under challenging measurement conditions, reduced to 0.6% (1$σ$) with multiple observers. Results demonstrate promising performance with regards to ongoing StarFOX campaigns and the application of angles-only navigation to future distributed missions.

研究动机与目标

• 实现无需依赖外部轨道信息或平移机动的小卫星集群自主分布式导航。
• 通过多观测者、多目标测量融合，克服仅角度导航中目标距离弱可观测性问题。
• 仅利用方位角测量，实现对未知非合作目标的自主相对导航初始化。
• 仅利用光学方位角数据和星间通信，实现绝对与相对轨道的同步确定。
• 验证面向未来深空与近地轨道分布式空间任务的可扩展、低成本导航系统的性能。

提出的方法

• ARTMS框架整合了三个模块：图像处理（IMP）、批处理轨道确定（BOD）和顺序轨道确定（SOD）。
• IMP利用带时间标签的图像和运动学建模，检测并跟踪多个目标，通过多假设方法计算方位角。
• BOD使用迭代批量最小二乘法，结合方位角数据批次中对弱可观测目标距离的采样，估计初始集群轨道。
• SOD采用自适应无迹卡尔曼滤波，通过星间交叉链路融合多观测者测量数据，以精化状态估计。
• 星间链路数据共享实现了观测者间测量的无缝融合，提升了系统鲁棒性与收敛性。
• 系统在星上自主运行，无需地面干预即可完成轨道初始化或导航更新。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否仅利用星上光学传感器和星间通信，实现卫星集群的自主、无需机动的仅角度导航？
• RQ2 系统能否在无先验轨道知识或外部更新的情况下，对未知目标实现相对导航的自主初始化？
• RQ3 多观测者测量在仅角度导航中能将相对定位精度提升至何种程度？
• RQ4 仅利用星间方位角测量且无GNSS或地面联系，绝对轨道状态的估计精度如何？
• RQ5 在真实飞行条件下（如目标可见性差、时间同步误差等）仅角度导航的性能限制是什么？

主要发现

• StarFOX首次在轨实现了仅利用星上光学传感器和星间链路，对卫星集群实现自主、无需机动的仅角度导航。
• 单观测者情况下，相对定位不确定性降低至目标距离的1.3%（1σ）；多观测者情况下进一步优化至0.6%（1σ）。
• 系统成功实现了对未知目标的自主相对导航初始化，展示了无需先验轨道知识的在轨状态估计能力。
• 仅通过方位角测量且无外部更新，绝对轨道误差从数公里缩小至1公里以内。
• 尽管面临目标可见性差和时间同步误差等挑战，初始实验阶段仍基本达成预想目标。
• 结果验证了ARTMS作为未来分布式空间任务中可扩展、低成本自主导航方案的可行性。