Avionics and software development for DANCE platform. Facility design and setup

Nowadays research and development in the context of the space industry is showing more and more interest in studying and designing large constellations of satellites characterized by a high level of cooperation among the vehicles. New distributed space systems designs are in fact evolving towards the concept of formation flying, i.e. clusters of two or more satellites capable of tracking and/or maintaining a relative separation, orientation or position with autonomous coordination and control. Motivations are reasonably found in the possibility of exploiting several advantages, in first place related to the reduced cost of developing multiple identical systems, that translates into a overall increased robustness of the mission with respect to the usage of a single satellite, because of the presence of numerous redundancies. Moreover, assets for the amount of information that can be collected spreading the vehicles on a large area can easily be understood. Innovation in this direction poses new serious and hard challenges, confirmed by the actual low technology readiness level (TRL). From the necessity of more testing and research in this field the project of developing a Device for Autonomous guidance Navigation & Control (DANCE) has been launched and carried out at the Department of Aerospace Science and Technology (DAER) of Politecnico of Milano; the idea is to build a frictionless facility able to simulate the microgravity condition by the means of air bearings which effect is to suspend the vehicle on a thin film of fluid, creating a torque-free environment and granting the motion on five degrees of freedom. In the final concept, two vehicles (DANCERs) are present, allowing to test new formation flight algorithms and complex relative orientation procedures on a testbed ground facility. The present master thesis work is inserted into the overall project progression, with the objective of reducing the gap to the final operative tests. The focus is put on the avionics: the software for the integration of the set of sensors used with the main processing unit is developed, defining the routines for real-time reading and telemetry data collection; sensor calibration prerequisite is satisfied delineating rigorous procedures. The problem of attitude estimation is then faced considering different suitable algorithms that are implemented, tested and optimized for the specific hardware used. Experiments with the actuators are also performed, perfecting mathematical models and design. In this way major improvements have been introduced in multiple subsystems, laying a solid groundwork for future developing.

Al giorno d’oggi il settore di ricerca e sviluppo nell’ambito dell’industria spaziale sta dimostrando un interesse crescente nello studio e nella progettazione di ampie costellazioni di satelliti caratterizzate da un alto livello di cooperazione tra i veicoli. Il design di innovativi sistemi distribuiti sta infatti evolvendo verso la concezione del volo in formazione, i.e. l’insieme di due o più satelliti capaci di tracciare e/o mantenere una relativa distanza, orientamento o posizione in modo completamente autonomo. Le motivazioni sono ragionevolmente ricondotte alla possibilità di sfruttare diversi vantaggi, in primis correlati al costo ridotto nella produzione di molteplici sistemi identici, che si traduce nell’aumento di robustezza dell’intera missione rispetto all’uso di un singolo satellite grazie alla presenza di numerose ridondanze. Inoltre, l’opportunità che si presenta nella raccolta di una maggiore quantità di dati distribuendo più veicoli su un’area estesa può essere facilmente compresa. Portare innovazione in questa direzione predispone di affrontare nuove complesse ed ardue sfide, come è confermato dal basso livello di prontezza tecnologica (TRL) attuale. Dalla necessità di maggiore sperimentazione in questo campo è nato nel Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali (DAER) del Politecnico di Milano il progetto per lo sviluppo di DANCE, una piattaforma sperimentale per condurre nuovi test di navigazione e controllo (GNC). Il concept consiste nella costruzione di una facility a basso attrito capace di simulare la condizione di microgravità attraverso l’utilizzo di cuscinetti ad aria il cui effetto è quello di sospendere il veicolo su un sottile strato di fluido, creando un ambiente privo di forze e momenti torcenti esterni e garantendo il movimento su cinque gradi di libertà. Nella versione finale del progetto sono presenti due veicoli (chiamati DANCERs) che consentono di collaudare in laboratorio nuovi algoritmi per il volo in formazione e complesse procedure di orientazione relativa. Il presente lavoro di tesi magistrale si inserisce all’interno del progresso generale del progetto, con l’obiettivo primario di ridurre il gap per eseguire i test operativi finali. L’interesse è posto sull’avionica: il software per l’integrazione del set di sensori con l’unità di elaborazione principale è sviluppato, definendo le routines per la lettura in tempo reale e la raccolta dei dati di telemetria; il prerequisito della calibrazione è soddisfatto delineando delle rigorose procedure. Il problema della stima d’assetto è poi affrontato considerando diversi algoritmi adatti alla sua soluzione, i quali sono implementati, testati e ottimizzati per lo specifico hardware utilizzato. Attività sperimentali sono inoltre condotte sugli attuatori, perfezionandone il design e i modelli matematici. In questo modo è stato possibile apportare rilevanti miglioramenti in diversi sottosistemi, gettando delle solide basi per esperimenti futuri.