Corrección de órbita de CubeSat eficiente en combustible y tolerante a fallos a través de control adaptativo basado en aprendizaje automático
Autores: Ramezani, Mahya; Alandihallaj, Mohammadamin; Hein, Andreas M.
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Corrección de órbita de CubeSat eficiente en combustible y tolerante a fallos a través de control adaptativo basado en aprendizaje automático
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Aeroespacial
Palabras clave
CubeSats
Maniobras orbitales
Eficiencia de combustible
Arquitectura de control
Controlador basado en GRU
Precisión posicional
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 18
Citaciones: Sin citaciones
El creciente despliegue de CubeSats en misiones espaciales requiere el desarrollo de técnicas de maniobra orbital eficientes y fiables, especialmente dadas las limitaciones en la capacidad de combustible y los recursos computacionales. Este documento presenta una nueva arquitectura de control de dos niveles diseñada para mejorar la precisión y robustez de las maniobras orbitales de CubeSat. El método propuesto integra un alto nivel para aprovechar los efectos perturbativos naturales para correcciones orbitales eficientes en combustible, con un controlador de bajo nivel basado en una unidad recurrente con compuertas (GRU) que ajusta dinámicamente la secuencia de maniobras en tiempo real para tener en cuenta las dinámicas no modeladas y las perturbaciones externas. Se emplea un filtro de Kalman para estimar la precisión de apuntamiento, que representa las incertidumbres en la dirección del empuje, permitiendo que el GRU compense estas incertidumbres y garantice una ejecución precisa de la maniobra. Este enfoque integrado mejora significativamente tanto la precisión posicional como la eficiencia del combustible de las maniobras de CubeSat. A diferencia de los métodos tradicionales, que dependen de una planificación extensa previa a la misión o de algoritmos de control computacionalmente costosos, nuestra arquitectura equilibra eficientemente el consumo de combustible con la adaptabilidad en tiempo real, lo que la hace adecuada para las limitaciones de recursos de las plataformas CubeSat. La efectividad del enfoque propuesto se evalúa a través de una serie de simulaciones, incluyendo un escenario de corrección orbital y un análisis de Monte Carlo. Los resultados demuestran que el sistema integrado GRU mejora significativamente la precisión posicional y reduce el consumo de combustible en comparación con los métodos tradicionales. Incluso en condiciones de alta incertidumbre, la capa de control basada en GRU compensa eficazmente los errores en la dirección del empuje, manteniendo una baja distancia de fallo durante todo el período de maniobra. Además, la arquitectura más simple del GRU proporciona ventajas computacionales sobre modelos más complejos como las redes de memoria a largo y corto plazo (LSTM), lo que la hace más adecuada para implementaciones a bordo de CubeSat.
Descripción
El creciente despliegue de CubeSats en misiones espaciales requiere el desarrollo de técnicas de maniobra orbital eficientes y fiables, especialmente dadas las limitaciones en la capacidad de combustible y los recursos computacionales. Este documento presenta una nueva arquitectura de control de dos niveles diseñada para mejorar la precisión y robustez de las maniobras orbitales de CubeSat. El método propuesto integra un alto nivel para aprovechar los efectos perturbativos naturales para correcciones orbitales eficientes en combustible, con un controlador de bajo nivel basado en una unidad recurrente con compuertas (GRU) que ajusta dinámicamente la secuencia de maniobras en tiempo real para tener en cuenta las dinámicas no modeladas y las perturbaciones externas. Se emplea un filtro de Kalman para estimar la precisión de apuntamiento, que representa las incertidumbres en la dirección del empuje, permitiendo que el GRU compense estas incertidumbres y garantice una ejecución precisa de la maniobra. Este enfoque integrado mejora significativamente tanto la precisión posicional como la eficiencia del combustible de las maniobras de CubeSat. A diferencia de los métodos tradicionales, que dependen de una planificación extensa previa a la misión o de algoritmos de control computacionalmente costosos, nuestra arquitectura equilibra eficientemente el consumo de combustible con la adaptabilidad en tiempo real, lo que la hace adecuada para las limitaciones de recursos de las plataformas CubeSat. La efectividad del enfoque propuesto se evalúa a través de una serie de simulaciones, incluyendo un escenario de corrección orbital y un análisis de Monte Carlo. Los resultados demuestran que el sistema integrado GRU mejora significativamente la precisión posicional y reduce el consumo de combustible en comparación con los métodos tradicionales. Incluso en condiciones de alta incertidumbre, la capa de control basada en GRU compensa eficazmente los errores en la dirección del empuje, manteniendo una baja distancia de fallo durante todo el período de maniobra. Además, la arquitectura más simple del GRU proporciona ventajas computacionales sobre modelos más complejos como las redes de memoria a largo y corto plazo (LSTM), lo que la hace más adecuada para implementaciones a bordo de CubeSat.