High Frequency, High Accuracy Pointing onboard Nanosats using Neuromorphic Event Sensing and Piezoelectric Actuation

要約

衛星が小さくなるにつれて、衛星に作用する外力が影響し、安定した指向性を維持する能力が低下します。
同時に、姿勢決定制御システム (ADCS) で使用されるリアクション ホイールにより高周波ジッターが発生し、ポインティングの安定性が損なわれる可能性があります。
数万キロメートル離れた物体を追跡するスペース ドメイン アウェアネス (SDA) タスクの場合、現在のナノサットが提供するポインティング精度 (通常は 10 ～ 100 秒角の範囲) では十分ではありません。
この研究では、閉ループで圧電ステージ (アクティブな姿勢補正用) と組み合わせたニューロモーフィック イベント センサー (高周波かつ高精度の相対姿勢推定用) を利用し、非常に安定したセンサー固有のポインティングを提供する新しいペイロードを開発します。
イベント センサーは、低消費電力、非同期動作、高ダイナミック レンジという望ましい特性により、宇宙アプリケーションに特に適しています。
イベントセンサーを使用して、まず基準背景星域を推定し、そこから瞬間的な相対姿勢を高頻度で推定します。
圧電ステージはイベント センサーを備えた閉制御ループで動作し、現在の姿勢と望ましい姿勢との間の不一致に基づいて姿勢補正を実行します。
制御された設定での結果は、市販のコンポーネントから構築されたプロトタイプを使用し、最大 50Hz の動作周波数で新しいペイロードを使用して、1 ～ 5 秒角の範囲の指示精度を達成できることを示しています。
詳細については、https://ylatif.github.io/ultrafinestabilisation をご覧ください。

要約(オリジナル)

As satellites become smaller, the ability to maintain stable pointing decreases as external forces acting on the satellite come into play. At the same time, reaction wheels used in the attitude determination and control system (ADCS) introduce high frequency jitter which can disrupt pointing stability. For space domain awareness (SDA) tasks that track objects tens of thousands of kilometres away, the pointing accuracy offered by current nanosats, typically in the range of 10 to 100 arcseconds, is not sufficient. In this work, we develop a novel payload that utilises a neuromorphic event sensor (for high frequency and highly accurate relative attitude estimation) paired in a closed loop with a piezoelectric stage (for active attitude corrections) to provide highly stable sensor-specific pointing. Event sensors are especially suited for space applications due to their desirable characteristics of low power consumption, asynchronous operation, and high dynamic range. We use the event sensor to first estimate a reference background star field from which instantaneous relative attitude is estimated at high frequency. The piezoelectric stage works in a closed control loop with the event sensor to perform attitude corrections based on the discrepancy between the current and desired attitude. Results in a controlled setting show that we can achieve a pointing accuracy in the range of 1-5 arcseconds using our novel payload at an operating frequency of up to 50Hz using a prototype built from commercial-off-the-shelf components. Further details can be found at https://ylatif.github.io/ultrafinestabilisation

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