Starling Formation-Flying Optical Experiment: Initial Operations and Flight Results

要約

この論文は、ムクドリ編隊飛行光学実験 (StarFOX) 中に実施された、小型宇宙船の群れの分散光学角度のみによるナビゲーションの初期飛行結果を示します。
StarFOX は、2023 年に打ち上げられた 4 機の CubeSat で構成される NASA スターリング ミッションの核となるペイロードです。これまでの角度のみの飛行デモンストレーションでは、観測者とターゲットが 1 人だけで、初期化や解決のための並進運動の事前のターゲット軌道知識に依存していました。
ターゲット範囲と外部絶対軌道を更新して収束を維持します。
StarFOX は、3 つの新しいアルゴリズムを統合した、角度のみの絶対および相対軌道測定システム (ARTMS) を適用することで、これらの制限を克服します。
画像処理は、各衛星の搭載カメラからの画像内の複数のターゲットを検出して追跡します。
バッチ軌道決定では、方位角バッチから初期の群れ軌道推定値を計算します。
Sequential Orbit Determination では、アンセンテッド カルマン フィルターを活用して、時間の経過とともに群状態推定値を精緻化します。
衛星間リンクを介して共有される複数の観測者の測定値がシームレスに融合され、絶対および相対軌道の決定が可能になります。
StarFOX の飛行データは、複数の目標と複数の観測者の相対ナビゲーションを含む、衛星群の自律的な角度のみのナビゲーションの最初のデモンストレーションを示しています。
未知のターゲットに対するナビゲーションの自律的な初期化。
絶対軌道と相対軌道を同時に決定します。
ターゲット範囲の 1.3% (1$\sigma$) の相対位置不確かさは、困難な測定条件下で 1 人の観測者に対して達成されますが、複数の観測者では 0.6% (1$\sigma$) に減少します。
結果は、進行中の StarFOX キャンペーンおよび将来の分散ミッションへの角度のみのナビゲーションの適用に関して、有望なパフォーマンスを示しています。

要約(オリジナル)

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$\sigma$) are achieved for a single observer under challenging measurement conditions, reduced to 0.6% (1$\sigma$) with multiple observers. Results demonstrate promising performance with regards to ongoing StarFOX campaigns and the application of angles-only navigation to future distributed missions.

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