Attitude control system design for HERMES-TP mission

In the last years, CubeSats have become suitable for more and more demanding and challenging missions in terms of requirement, power and accuracy, mainly thanks to the development and miniaturization of technologies and components. HERMES project has been conceived in this framework: a mission concept based on a constellation of CubeSat for the study of Gamma-ray bursts. The main objective is the accurate and timely localization of these highly energetic events, thanks to a new miniaturized detector developed by INAF. The thesis is focused on the design of the Attitude Control System for the HERMES platform. The subsystem requirements and modes are derived starting from the scientific goals and from the phases of the mission; then a proper set of COTS sensors and actuators is selected for a performing and robust ADCS architecture. The next steps are the design of a PID controller for the reaction wheels and the implementation of the control laws for the different modes. A 6DOF control simulator has been improved and specialized for HERMES mission with the goal to validate the proposed design and the compliance with the requirements. Particular attention has been paid to the power generation profile, parameter affected by the spacecraft configuration and by the adopted pointing strategy, useful to assess the feasibility of a defined mission profile. In conclusion, a preliminary verification and test plan has been proposed, in compliance with the ECSS standard for CubeSat mission. The adopted verification philosophy and the expected tests are briefly described.

Negli ultimi anni, i Cubesat sono diventati adatti per missioni sempre più esigenti e stimolanti in termini di requisiti, potenza e accuratezza, grazie in particlare allo sviluppo e alla miniaturizzazione di componenti e tecnologie. In questo contesto è stato concepito il progetto HERMES: una missione basata su una costellazione di Cubesat per lo studio dei lampi gamma. Il principale obbiettivo è la precisa e tempestiva localizzazione di questi fenomeni energetici, grazie ad un nuovo rivelatore sviluppato da INAF. La tesi si concentra sul design del sistema di controllo di assetto per la piattaforma di HERMES. I requisiti e i modi del sottosistema sono derivati a partire dagli obbietivi scientifici e dalle fasi della missione; in seguito sensori e attuatori commericali sono stati selezionati per avere un’architettura performante e robusta. I passi successivi sono stati il design di un controllore PID per le ruote di assetto e l’implementazione delle leggi di controllo per i diversi modi di missione. Per validare il design proposto e la conformità ai requisiti è stato usato un simulatore di controllo a 6 gradi di libertà, migliorato e adattato alla missione HERMES. Un’attenzione particolare è stata riservata al profilo di generazione di potenza, un parametro influenzato dalla configurazione del satellite e dalla strategia di puntamento adottata, utile per verificare la fattibilità di un determinato profilo di missione. In conlusione è stato proposto un piano per le attività di test e verifica, conforme con gli standard ECSS per Cubesat. La filosofia di verifica e i test previsti sono stati brevemente descritti.