Design of a COTS-based star tracker sensor for mini satellites

CubeSats have been exponentially increasing in the last few years. Thanks to their growth, new commercial opportunities are becoming available in the Space sector. D-Orbit is moving straight towards one of them by proposing an innovative service of CubeSat commissioning, the ION Launch Service, that is aimed to provide a faster, cheaper, and prime-class deployment for client CubeSats, even if in constellations, by adopting the ION CubeSat carrier. In order to accomplish such a challenging task, the satellite needs a robust and accurate attitude determination system, which is able to precisely estimate the satellite rotations. The more precise the attitude estimation is, the more efficient CubeSat deployment is. Among all the available attitude determination sensors, the highest nominal precision is reached by star trackers. These sensors are basically cameras which collect stars images and whose computational units are able to recognize where the sensor is looking at: the attitude is thus determined according to a fixed reference system. This thesis work is aimed at designing a star tracker which is able to comply the ION satellite requirements. First, it has to reach a precision in attitude determination between 1 and 2 arcseconds, which is the nominal accuracy range for star trackers. Second, it has to use COTS-based components in order to keep costs and complexities as low as possible. In the end, the star tracker has to also be able to work as high resolution camera, in order to capture exiting CubeSats, not only for technical reasons but also for commercial purposes. In order to perform the star tracker design, it is necessary to choose the COTS-based camera module by verifying that all of its components are able to meet the requirements. In particular, the lens has to be large enough in aperture and the image sensor has to be at high resolution. In addition, in order to use the camera at its maximum potential, a calibration of the selected module has to be performed. The algorithm for attitude determination is then designed and tested though a validation procedure.

Il numero di CubeSat è aumentato esponenzialmente negli ultimi anni. Grazie alla loro crescita, nuove opportunità commerciali stanno nascendo nel settore spaziale. D-Orbit si sta dirigendo verso uno di essi proponendo un servizio innovativo di messa in orbita di CubeSat, l'ION Launch Service, che mira a fornire un'implementazione più veloce, più economica e di prima classe per i CubeSat dei clienti, anche se in costellazioni, adottando il vettore ION. Per realizzare un compito così impegnativo, il satellite ha bisogno di un sistema di determinazione dell'assetto robusto e preciso, in grado di stimare con precisione le rotazioni del satellite. Più precisa è la stima e più efficiente sarà la messa in orbita dei CubeSats. Tra tutti i sensori di determinazione dell'assetto disponibili, gli star trackers raggiungono la massima precisione nominale. Questi sensori sono fondamentalmente delle telecamere che raccolgono immagini di stelle e le cui unità di calcolo sono in grado di riconoscere il punto in cui il sensore sta puntando: l'assetto viene quindi determinato in base a un sistema di riferimento fisso. Questo lavoro di tesi è finalizzato alla progettazione di uno star tracker in grado di soddisfare i requisiti del satellite ION. In primo luogo, deve raggiungere una precisione nella determinazione dell'assetto tra 1 e 2 secondi d'arco, che è il range di precisione nominale per gli star tracker. In secondo luogo, deve utilizzare componenti COTS per mantenere costi e complessità il più bassi possibile. Inoltre, lo star tracker deve anche essere in grado di lavorare come telecamera ad alta risoluzione, al fine di catturare CubeSat in uscita, non solo per motivi tecnici ma anche per scopi commerciali. Per eseguire il design di uno star tracker, è necessario scegliere il modulo camera guardando componenti COTS e verificando che tutti i suoi componenti siano in grado di soddisfare i requisiti richiesti. In particolare, il campo di vista deve essere sufficientemente ampio in apertura e il sensore di immagine deve essere ad alta risoluzione. Inoltre, per utilizzare la fotocamera al suo massimo potenziale, è necessario eseguire una calibrazione del modulo selezionato. L'algoritmo per la determinazione dell'assetto viene quindi progettato e testato attraverso una procedura di validazione.