Development of the Active Attitude Determination and Control System for a 3U Educational CubeSat

I CubeSat stanno conquistando una posizione di rilievo nella nuova era della space economy. Grazie al paradigma "low cost and fast delivery" e alla miniaturizzazione dei sistemi elettromeccanici, sono possibili nuove missioni a supporto di veicoli spaziali più grandi o come missioni autonome. I CubeSat sono nati in ambito accademico e mantengono la loro importanza come strumenti didattici e, inoltre, come piattaforme dimostrative in orbita di nuovi sistemi e apparecchiature. Uno dei sottosistemi più importante per i CubeSat è il sistema di determinazione e controllo dell'assetto, in quanto comporta l'integrazione di hardware e software, strategie e algoritmi avanzati per determinare e controllare l'assetto. Per questo motivo l'ADCS è ampiamente studiato e richiede ancora ulteriori indagini e analisi per raggiungere soluzioni migliori ed efficaci. Questo lavoro di tesi si inserisce in questo contesto e mira a progettare, sviluppare e verificare soluzioni efficaci e affidabili per il sistema di determinazione e controllo dell'assetto del CubeSat 3U in fase di sviluppo nel CubeSat Team per una missione di osservazione Terrestre. Il design del sistema ADC proposto ha coinvolto tutti gli aspetti necessari, dall'identificazione dei requisiti alla selezione e al dimensionamento della suite hardware. Le prestazioni del sistema e il soddisfacimento dei requisiti sono stati verificati utilizzando un simulatore completo, sviluppato con Matlab e Simulink, che consente di simulare realisticamente la riproduzione delle dinamiche di posizione e assetto. In particolare, per simulare la dinamica di posizione viene utilizzato un propagatore orbitale basato sul metodo di Cowell, utilizzando la tecnica di integrazione numerica Runge-Kutta del quarto ordine. Mentre la dinamica di assetto è modellata utilizzando l'equazione del moto di Eulero, includendo tutte le coppie di disturbo che caratterizzano l'ambiente spaziale. I modi di controllo definiti si riferiscono alle diverse fasi della missione in cui opererà il CubeSat. Questi includono il modo di detumbling, science mode, a sua volta suddiviso in nadir e target pointing, il modo di desaturazione e altri modi nominali e non nominali. Le velocità angolari, rispetto al sistema orbitale, durante la fase di detumbling sono stimate con il robusto filtro "Kalman Rate Estimator" utilizzando le misurazioni del magnetometro. La determinazione dell'assetto, durante il puntamento fine, prevede una procedura che impiega in sequenza un filtro di smoothing, il metodo Singular Value Decomposition per la determinazione deterministica e un Extended Kalman Filter per la stima ricorsiva. I controllori necessari per il detumbling e la desaturazione delle reaction wheels sono implementati tramite la legge di controllo Cross Product Magnetic con torquers magnetici. Il controllo durante il modo science avviene tramite reaction wheels. Per la fase di target pointing viene utilizzato un classico Quaternion Feedback Controller, mentre un'attenzione particolare è rivolta all'implementazione di algoritmi di controllo avanzati, tra cui il Model Predictive Control e il controllo H infinity, per il nadir pointing Vengono studiate diverse combinazioni tra lo stimatore ottimale e i controllori ottimali per testarne le prestazioni e selezionare infine la soluzione migliore che soddisfi i requisiti prestazionali.