COTS-based spacecraft ADCS, with application to D-orbit nanosatellite and minisatellite missions

Magnetically-actuated attitude Attitude Control System are particularly attractive for their simplicity, as well as for their suitability on very small satellites such as CubeSat. While the theoretical problem of magnetic control of spacecraft has been studied in depth in the past, not much literature is available on actual on-orbit proof-of-operations of such algorithms, and even less literature can be found covering the implementation process of these systems. In the first part of this dissertation, the process of designing, developing, verifying and finally operating in-orbit a magnetically-actuated Attitude Control System is presented, with reference to the D-Sat mission. Issues related to the whole life-cycle development are also discussed. Finally, conclusions are drawn, and suggestions for future implementation of similar systems are presented. While widely-used in industrial plants control, Model Predictive Control (MPC) methods are relatively new to Attitude Determination and Control System (ADCS) applications. In the second part of this dissertation, MPC is applied to the specific cases of the ION-mk01 Attitude Control System, and relative results are discussed. MPC is found to be a very good candidate for ADCS systems where attitude requirements (pointing and rate) are to be met in a specific point in time, as well as a method to reject or mitigate disturbances located in a known epoch in time.

I sistemi di controllo d'assetto ad attuazione magnetica sono di particolare interesse per la loro semplicità realizzativa e applicabilità a satelliti di dimensioni molto ridotte, come i CubeSat. Per via di queste caratteristiche, questi sistemi sono stati studiati ampiamente in passato, specialmente dal punto di vista della teoria degli algoritmi di controllo. Tuttavia, l'implementazione, la verifica e le operazioni in orbita di sistemi che adottano questo schema di controllo trova poco riscontro nella letteratura scientifica di riferimento. Nella prima parte di questa Tesi viene descritto il processo di progettazione, sviluppo, verifica ed infine operazioni in volo di un sistema di controllo d'assetto ad attuazione magnetica, con riferimento alla missione D-Sat, con dettaglio sulle problematiche relative all'intero ciclo di vita del sistema. Conclude questa sezione una retrospettiva su potenziali miglioramenti della soluzione tecnica adottata. Nellla seconda parte, uno schema di controllo predittivo (Model Predictive Control, MPC) viene descritto ed applicato ad un caso reale di controllo d'assetto di minisatellite. Come risulta da questa applicazione, gli schemi MPC si dimostrano particolarmente attrattivi per la reiezioni di disturbi legati a dinamiche di separazione, come avviene nel caso del satellite ION-mk01.