Attitude determination and control of micro-satellite RISESAT for satellite-to-ground optical communication experiments

Micro-satellites are developed in both university and industrial world for demon- stration purposes since they require limited investments from economic point of view as well as regarding the time and effort needed to design them. Inside university they also represent an excellent mean for students to develop skills and expertise. This philosophy is perfectly incarnated by the Micro-Satellite Laboratory, subsection of the Space Robotics Laboratory in Tohoku University (Sendai, Japan), where M.o.S and Ph.D. students are entitled and required to design complex systems such as sensors, de-orbital devices, cubesats and micro satellites as a successful completion for their studies. For a short period, the authors participated to the development of the Rapid International Scientific SATellite (RISESAT) micro satellite, expected to be launched in 2017. The project exploited for this Master thesis work is the design of both a control law and the simulator used to test it. The final purpose of the control is to achieve a fine pointing towards a ground station on Earth starting from a random attitude in order to be implemented on-board the satellite and be used for laser communication feasibility demonstration. The first step was to produce models for the sensors used in this pointing mode: Earth sensor and High Precision Telescope, that were missing inside the already existing Satellite and Space Environment Simulator (SSES), C++ based. In the meantime a Matlab/Simulink based simulator validated with the Tohoku University one has been developed in order to obtain a simpler a more portable instrument that could be run on a normal laptop and used for further analysis and simulations. The main difference between the two simulators is that the Micro-Satellite Lab. one is "hardware-in-the-loop" while the Matlab one is completely software based; despite this, the results obtained are comparable. The control algorithm was then written in the real Attitude Control Unit (ACU) computer of the satellite that is connected with the Tohoku simulator and tested with different sets of initial conditions, resulting in a success in every condition tested. The time available for communications could be estimated in different situations considering, for example, a cloudy sky through statistical previsions or natural future applications of the laser communication technology, far from the RISESAT mission, such as the transmission of data between two satellites.

Sia in ambito industriale che universitario vengono sviluppati micro-satelliti allo scopo di dimostrare e validare nuove tecnologie per lo spazio, questi, infatti, richiedono investimenti limitati sia dal punto di vista economico che dei tempi di progetto. All’interno delle università, inoltre, rappresentano un’ottima occasione per creare competenze specifiche e nuovi ambiti di ricerca. Proprio questa filosofia ha spinto il Laboratorio di Robotica per lo spazio all’interno dell’università di Tohoku in Giappone a ideare e portare avanti il progetto di quattro di questi satelliti, tre dei quali già lanciati e uno attualmente in sviluppo. In questo contesto gli studenti di laurea magistrale e di dottorato si occupano di progettare sistemi avanzati come sensori, attuatori per il decommissionamento nonchè cubsat e micro satelliti nel loro complesso a compimento dei loro studi. Gli autori hanno partecipato per un periodo di quattro mesi allo sviluppo di RISESAT, una missione il cui lancio è programmato per il 2017. Questa tesi di laurea magistrale si occupa in particolar modo del controllo necessario al satellite per ottenere l’allineamento con una stazione di terra in grado di garantire un collegamento laser stabile fra i due per la trasmissione di dati; il progetto consiste sia nella creazione della legge di controllo che del simulatore utilizzato per testarla. Il lavoro incomincia con lo sviluppo di modelli per i sensori, alcuni dei quali verranno utilizzati per la prima volta in ambiente spaziale; questi vengono poi inclusi all’interno di un simulatore ed utilizzati dal computer di bordo del satelllite per determinare il proprio assetto ed agire di conseguenza per ottenere l’allineamento finale. Contemporaneamente allo sviluppo del simulatore in linguaggio C++ presente alla Tohoku University e alla programmazione della legge di controllo sull’hardware del satellite ci si è occupati della replicazione dell’apparato software in linguaggio Matlab/Simulink in modo da sviluppare uno strumento potente, ma portatile e più versatile, per testare la validità della filosofia di controllo anche in condizioni più lontane da quella della missione RISESAT. Si è potuto così valutare positivamente la bontà di tale sistema per differenti assetti iniziali del satellite, diverse orbite e posizioni della stazione di terra e in condizioni di cielo nuovoloso; infine si è anche data una valutazione approssimativa di quella che sarà la più naturale e logica evoluzione della comunicazione laser in ambito spaziale: stabilire un contatto e trasmettere dati fra due satelliti.