Attitude control is essential for many satellite missions. Classical controllers, however, are time-consuming to design and sensitive to model uncertainties and variations in operational boundary conditions. Deep Reinforcement Learning (DRL) offers a promising alternative by learning adaptive control strategies through autonomous interaction with a simulation environment. Overcoming the Sim2Real gap, which involves deploying an agent trained in simulation onto the real physical satellite, remains a significant challenge. In this work, we present the first successful in-orbit demonstration of an AI-based attitude controller for inertial pointing maneuvers. The controller was trained entirely in simulation and deployed to the InnoCube 3U nanosatellite, which was developed by the Julius-Maximilians-Universität Würzburg in cooperation with the Technische Universität Berlin, and launched in January 2025. We present the AI agent design, the methodology of the training procedure, the discrepancies between the simulation and the observed behavior of the real satellite, and a comparison of the AI-based attitude controller with the classical PD controller of InnoCube. Steady-state metrics confirm the robust performance of the AI-based controller during repeated in-orbit maneuvers.


翻译:姿态控制对于众多卫星任务至关重要。然而,经典控制器的设计耗时且对模型不确定性及运行边界条件变化敏感。深度强化学习(DRL)通过与仿真环境的自主交互学习自适应控制策略,提供了一种前景广阔的替代方案。克服仿真到现实的差距——即将在仿真环境中训练的智能体部署到真实物理卫星上——仍然是一个重大挑战。本研究首次成功演示了基于人工智能的姿态控制器在惯性指向机动中的在轨应用。该控制器完全在仿真环境中训练,并部署至由维尔茨堡大学与柏林工业大学合作研发、于2025年1月发射的InnoCube 3U纳卫星。我们介绍了人工智能智能体的设计、训练流程的方法论、仿真与真实卫星观测行为之间的差异,并将基于人工智能的姿态控制器与InnoCube的经典PD控制器进行了对比。稳态指标证实了基于人工智能的控制器在重复在轨机动中具有稳健的性能。

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