NOS3 generic_adcs — AOCS FSW SILS Example

NASA NOS3 (Operational Simulator for Space Systems) の generic_adcs コンポーネントの制御アルゴリズムを WASM Component としてビルドし、orts の SILS (Software-In-the-Loop Simulation) として実行する example plugin。

既存の AOCS フライトソフトウェアの C コードを変更なしで WASM 化し、orts の plugin system で動かすことで、SILS のコンセプトを実証する。

ADCS モード

Mode	ID	センサ	アクチュエータ	制御則
Passive	0	なし	なし	制御なし
B-dot	1	磁力計 + ジャイロ	MTQ	磁場微分フィードバック
Sun-Safe	2	太陽センサ + ジャイロ	RW + MTQ	PD 制御
Inertial	3	Star Tracker + ジャイロ	RW + MTQ	クォータニオン PID

Prerequisites

cargo-component (cargo install cargo-component)
wasi-libc / wasi-compiler-rt (C → wasm32-wasip1 クロスコンパイルに必要)
- Arch Linux: pacman -S wasi-libc wasi-compiler-rt
- Ubuntu: wasi-sdk をインストール
ネットワーク接続 (build.rs が generic_adcs リポジトリを git clone する)

Build

cd plugin-sdk/examples/nos3-adcs
cargo component build

build.rs が自動で以下を行う:

github.com/nasa-itc/generic_adcs を OUT_DIR に git clone (commit pinned)
cFS 依存を除いた standalone generic_adcs_msg.h シムを自動生成
cc crate で C ソースを wasm32-wasip1 向けにコンパイル

Run

orts run

デフォルト設定は B-dot モード (mode 1) で、400km LEO での 10 分間のデタンブリングを実行する。

Test

./test.sh              # 全モードテスト
./test.sh bdot         # B-dot のみ
./test.sh sunsafe      # Sun-Safe のみ
./test.sh inertial     # Inertial のみ

各モードで角速度ノルムが十分に減衰することを検証する。

Visualization

以下のプロットは ./test.sh の実行結果。

共通条件:

軌道: 400 km LEO 円軌道 (周期 ~5553s)
衛星: 慣性テンソル diag(10, 10, 10) kg·m², 質量 500 kg
初期姿勢: q = [0.966, 0, 0.259, 0] (15° off-nadir)
磁場モデル: IGRF-14 (球面調和展開 degree 13)
RW: 3軸直交, Iw = 0.01 kg·m², max momentum = 1.0 N·m·s
MTQ: 3軸直交, max moment = 10.0 A·m²

B-dot Detumbling (2 orbits, ~3h)

初期角速度: ω = [0.15, -0.10, 0.12] rad/s (~12.5 deg/s, 分離直後のタンブリング状態)

B-dot

Sun-Safe Pointing (600s, post-detumble ω)

初期角速度: ω = [0.01, -0.005, 0.008] rad/s (~0.8 deg/s, B-dot デタンブリング後を想定)

Sun-Safe

Inertial 3-axis Control (120s, post-detumble ω)

初期角速度: ω = [0.01, -0.005, 0.008] rad/s (~0.8 deg/s, B-dot デタンブリング後を想定)

Inertial

手動でプロットを生成する場合

# CSV を生成
orts run --format csv --output stdout > result.csv

# プロット (uv + matplotlib)
uv run python3 plot.py result.csv
uv run python3 plot.py result.csv --save output.png --title "B-dot Detumbling"

角速度・クォータニオン・MTQ コマンド・RW トルク・RW モメンタムの時系列を表示する。

Configuration

orts.toml の [satellites.controller.config] で制御パラメータを指定する:

[satellites.controller.config]
sample_period = 1.0       # 制御サンプル周期 [s]
initial_mode = 1          # 初期モード (0=Passive, 1=B-dot, 2=Sun-Safe, 3=Inertial)
momentum_management = false

# B-dot parameters
bdot_kb = 1e4
bdot_b_range = 1e-9

# Sun-Safe parameters (PD)
sunsafe_kp = [0.01, 0.01, 0.01]
sunsafe_kr = [0.1, 0.1, 0.1]
sunsafe_sside = [1.0, 0.0, 0.0]  # 太陽指向軸 (body frame)
sunsafe_vmax = 0.01

# Inertial parameters (PID)
inertial_kp = [0.1, 0.1, 0.1]
inertial_kr = [1.0, 1.0, 1.0]
inertial_ki = [0.0, 0.0, 0.0]
inertial_phi_err_max = 1.0
inertial_qbn_cmd = [0.0, 0.0, 0.0, 1.0]  # 目標クォータニオン (scalar-last)

Architecture

flowchart TB
    subgraph host["orts host (Rust)"]
        sim["Simulation loop<br/>RK4 integrator + sensors"]
        cmd["Apply commands<br/>RW motor torque / MTQ dipole"]
    end

    subgraph wasm["WASM Component"]
        wrapper["Rust wrapper<br/>Plugin&lt;TickInput, Command&gt;"]
        mapping_in["populate_di()<br/>orts sensors → NOS3 DI struct<br/>quaternion: [w,x,y,z] → [x,y,z,w]"]
        adac["generic_adcs_adac.c<br/>(NASA C code, unmodified)"]
        mapping_out["GNC→Command<br/>Tcmd → RwCommand::Torques<br/>Mcmd → MtqCommand::Moments"]
    end

    sim -- "TickInput<br/>(sensors, actuator telemetry)" --> wrapper
    wrapper --> mapping_in --> adac --> mapping_out
    mapping_out -- "Command" --> cmd
    cmd --> sim

Offline Build

ネットワークなしでビルドする場合は、事前に generic_adcs を clone して環境変数で指定:

git clone https://github.com/nasa-itc/generic_adcs.git /path/to/generic_adcs
GENERIC_ADCS_SRC_DIR=/path/to/generic_adcs cargo component build

Known Limitations

B-dot モードのみ E2E テスト (test.sh) あり。Sun-Safe / Inertial は手動確認済み
CSS (Coarse Sun Sensor) のスカラー出力は方向ベクトルに変換できないため、 FSS (Fine Sun Sensor) のみ対応
3-axis 直交アクチュエータ配置を前提
ライセンス: NOS3 は NOSA 1.3 (推定)。C ソースは orts リポジトリに含まれず、ビルド時に git clone で取得するため再配布には該当しない

Credits

NASA NOS3 — NASA Operational Simulator for Space Systems
generic_adcs — Generic ADCS component for NOS3