본 논문에서는 자율 랑데부-도킹 임무를 수행하는 SNUGLITE-III 큐브위성의 궤도제어 시스템을 다룬다. SNUGLITE-III는 3U 규격의 위성 2기로 구성된 큐브위성으로, 자율 편대비행 및 랑데부-도킹 임무를 수행한다. 이 러한 임무를 위해 SNUGLITE-III에는 큐브위성 플랫폼에 적용 가능한 센티미터급 성능의 RTK 상대항법 시스템이 탑재되고, 이러한 정밀 상대항법의 결과를 바탕으로 두 위성의 상대운동을 제어하기 위한 궤도제어를 수 행한다. 하지만 큐브위성과 같은 초소형 위성에서는 크기와 무게 제한으로 인해 추력기와 충분한 추진제를 탑재하기 어렵다는 한계점이 존재한다. 따라서 본 논문에서는 추력기 없이 두 위성에 작용하는 저궤도 공력 의 차이를 활용하여 두 위성의 상대 운동을 자율적으로 제어하는 궤도제어 기법을 제안한다. 제안하는 궤도제어 시스템은 RTK 기반 정밀 상대위치와 속도를 바탕으로 적절한 대기 항력 및 양력의 차이를 발생시키기 위한 두 위성의 자세를 계산한다. 이를 위해 SNUGLITE-III 큐브위성 형상에 대해 자세에 따른 대기 항력 및 양력의 크기를 분석하고, 상대운동 방정식을 바탕으로 LQR 최적 제어기를 설계하였다. 궤도전파 시뮬레이션 을 수행하여 제안된 기법의 성능을 확인하였고, SNUGLITE-III 큐브위성 궤도제어 시스템을 통해 자율 랑데부-도킹 임무가 가능함을 확인하였다.

Development of an Autonomous Rendezvous Orbit Control System for SNUGLITE-III CubeSat Using Real-Time Kinematic Based Precise Relative Navigation

Jae Woong Hwang, Hanjoon Shim, Yonghwan Bae, Changdon Kee*, Jaegang Kim

This paper addresses the orbit control system for the SNUGLITE-III CubeSat, which performs autonomous rendezvous and docking missions. SNUGLITE-III consists of two 3U CubeSats designed to execute autonomous formation flying and rendezvous-docking missions. To achieve these missions, SNUGLITE-III is equipped with Real-Time Kinematic (RTK) relative navigation system suitable for CubeSat platforms. Based on the precise relative navigation results, the orbit control system controls the relative motion between the two satellites. However, small satellites like CubeSats have strict constraints in volume and mass, making it challenging to accommodate onboard thrusters with enough propellant. Therefore, this paper proposes a propellant-free orbit control method which utilize differential aerodynamic forces acting on two satellites in Low Earth Orbit (LEO). The proposed orbit control system calculates the appropriate attitudes for the two satellites to generate the desired differential drag and lift, based on the precise relative position and velocity obtained through RTK-based navigation. In designing the controller, we first analyzed the aerodynamic drag and lift acting on the SNUGLITE-III shape based on its attitude. Then, we designed an LQR optimal controller based on the linearized dynamics of relative motion. To validate the performance of the proposed method, orbit propagation simulations were conducted, confirming that the SNUGLITE-III CubeSat orbit control system can successfully perform autonomous rendezvous and docking missions.

Keywords: CubeSat, real time kinematics (RTK), orbit control, differential drag

Speaker 황재웅 서울대학교