DANCE : experimental platform for GNC testing and validation. Facility design and setup

In the last decade, the different space agencies, such as NASA and ESA, have shown serious interest in considering new mission scenarios exploiting a swarm of satellites flying in formation (i.e., Formation Flying). Simultaneously, the growing trend of miniaturization perfectly fits this perspective, providing even more flexibility to the mission. Having a swarm of small spacecrafts, distributed over a large volume, can be used to achieve various capabilities and functions. It can be exploited for a three-dimensional mapping of the space, providing much more information with respect to the large and singular satellite. Moreover, the risk at the launch site can be mitigated using different launchers and launch dates. Even the robustness of the entire mission would be intensely incremented, spreading the redundancies across the formation rather than across the same monolithic spacecraft. Finally, the overall mission cost can be reduced exploiting a mass-production technique for the different satellites. Therefore, Formation Flying introduces new possibilities for the space engineering, but it obviously also poses new challenges due to the low level of maturity of such technologies. Here comes the need of new test campaigns able to rise the Technology Readiness Level (TRL) of this innovative hardware and software. In this context, this thesis presents the design, the modeling and the setup of a new frictionless facility at the Aerospace Science and Technology Department of Politecnico di Milano for on-ground testing and validation of spacecrafts relative GNC maneuvering. It will serve as a testbed for experimental verification of innovative software, such as artificial intelligence in the control logic, as well as testing new hardware-in-the-loop. The force-less and torque-less environment is achieved using a set of linear and hemispherical air bearings. In this way, each vehicle has five degrees of freedom (DOFs): two translations and three rotations. This also follows the trend of the state of the art, being it a common architecture adopted for on-ground spacecraft simulators.

Negli ultimi anni, le varie agenzie spaziali internazionali, come NASA ed ESA, hanno dimostrato un crescente interesse verso nuove possibili missioni spaziali che sfruttano flotte di satelliti con funzionalità diverse e capaci di volare in formazione. Contemporaneamente, la crescente tendenza alla miniaturizzazione sposa perfettamente questo scenario, in quanto può offrire ulteriore flessibilità alla missione. I benefici legati all’utilizzo di un sistema distribuito di piccoli satelliti sono innumerevoli. Per esempio, si può ottenere una mappatura tridimensionale dello spazio grazie a molteplici sensori dislocati sull’intera flotta. Oppure si può ridurre il rischio al lancio utilizzando diversi lanciatori in varie date. Anche la robustezza della missione verso un possibile malfunzionamento è incrementata distribuendo le ridondanze nell’intera formazione invece che nel singolo satellite. Infine, è possibile ridurre il costo della missione adoperando delle tecniche industriali, come la produzione in serie, per poter abbattere i costi unitari. Perciò è facile comprendere come l’utilizzo di un sistema distribuito di satelliti possa portare svariati vantaggi all’ingegneria spaziale. Allo stesso tempo, però, sarà necessario affrontare nuove sfide legate al basso livello di maturità di questa tecnologia. E come accade in qualsiasi ambito tecnologico, l’unico modo per poter aumentare il Livello di Maturità Tecnologica (Technology Readiness Level - TRL) dell’hardware cosi come del software è grazie ad una serie di campagne di test e di verifica, sia in orbita che a terra. In questo contesto, la seguente tesi si pone l’obiettivo di presentare la progettazione, la modellazione e la realizzazione di un simulatore spaziale nel Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano per test di guida, navigazione e controllo (GNC) relativo tra satelliti. Servirà come banco di prova per la verifica sperimentale di controllori innovativi, come per esempio software di intelligenza artificiale, così come il test di nuovo hardware. Attraverso l’utilizzo di una serie di cuscinetti ad aria è possibile eliminare l’attrito e quindi ricreare un ambiente privo di forze e di coppie. In questo modo, ogni veicolo si potrà muovere liberamente su cinque gradi di libertà: due traslazioni e tre rotazioni. Questa scelta deriva da un’attenta analisi dello stato dell’arte, in quanto la maggior parte dei simulatori di satelliti a terra adopera cuscini ad aria.