Design and development of a small satellites three axis attitude simulation platform

Attitude Determination and Control Systems (ADCS) are of fundamental importance for thesatellotes operations involving determination and control of the satellite attitude. This system operates in reduced friction and micro-gravity conditions that makes the on-groung simulation and testing of spacecraft ADCS a challengimg task. However, ADCS simulation is fundamental for the reduction of mission risks and for the increase of the affidability of the system: performing hardware in the loop (HIL) simulations involving the whole ADCS system helps engineer to have a better insight in the system behavior and lowers the probability of unexpected events when the satellites perform its operations. The purpose of this thesis is to design and develop the hardware part of an ADCS simulator able to reproduce on-orbit conditions within the Politecnico di Milano (PoliMi) DAER Laboratory. The system is based on a tabletop style spherical air bearing employing a set of 8 non-captive stepper motors for balancing purposes and two inertial measurement units (IMU) for attitude determination and system identification. The testbed includes electronics required to handle all the components and the power system, consisting in 5 different batteries, to give power to all the deviced. A preliminary Simulink model has been developed to analyze the system performances which should be validated in future works. The fi nal objective of this thesis is to develop the hardware part of the simulator, giving a baseline for the development of a fully capable attitude simulation testbed.

I sistemi di determinazione e controllo d’assetto (ADCS) sono di fondamentale importanza per le operazioni dei satelliti che comportano la determinazione e il controllo dell’orientamento del satellite in orbita. Questo sistema opera in condizioni di attrito ridotto e micro-gravità che rendono la simulazione e i test di veicoli spaziali a terra un compito impegnativo. Tuttavia, la simulazione dell’ADCS è fondamentale per la riduzione dei rischi di missione e per aumentare l’affidabilità del sistema: eseguire simulazioni hardware in the loop (HIL) che coinvolgono l’intero sistema ADCS aiuta gli ingegneri ad avere una migliore comprensione del comportamento del sistema e riduce la probabilità di eventi imprevisti quando i satelliti eseguono le operazioni durante la missione. Lo scopo di questa tesi è di progettare e sviluppare la parte hardware di un simulatore ADCS in grado di riprodurre condizioni in orbita all’interno del laboratorio DAER del Politecnico di Milano (PoliMi). Il sistema si basa su un cuscinetto d’aria sferico di tipo tableto che impiega un set di 8 motori passo-passo non-captive a scopo di bilanciamento e due unità di misurazione inerziale (IMU) per la determinazione d’assetto e l’identificazione del sistema. Il banco di prova comprende l’elettronica necessaria per gestire tutti i componenti e il sistema di alimentazione, costituito da 5 batterie diverse, per fornire energia a tutti i dispositivi. È stato sviluppato un modello preliminare in Simulink per analizzare le prestazioni del sistema che dovrà essere validato in lavori futuri. L’obiettivo finale di questa tesi è quello di sviluppare la parte hardware del simulatore, fornendo una base per lo sviluppo di un banco di prova di simulazione d’assetto pienamente funzionante.