Planet image-based attitude estimation and control

One of the growing interests in the space sector is the use of CubeSats for planetary and interplanetary missions. The use of such platforms allows to reduce costs, time of manufacturing, size and weight. However, it brings with it huge technological challenges in order to find new hardware and software for such miniaturized platforms. Most of the new CubeSat issues arise in the context of the attitude determination and control system, because the systems lack of both capability and reliability and usually exploit the same hardware and techniques of bigger satellites. The work of this thesis focuses on the possibility of widening the use of CubeSats on-board cameras in order to retrieve attitude information. This allows to exploit the usual payload of the spacecraft for attitude estimation and control, thus having one hardware on-board used for multiple subsystems. This work proposes a general purpose image processing algorithm that is able to retrieve two major directions, spacecraft to planet and spacecraft to Sun, from images of an illuminated planet or Moon. Synthetic images are generated through the use of of POV-Ray software. The information coming from the processing algorithm are used in static attitude determination methods in order to retrieve the attitude of the spacecraft and in a new attitude control law to control the spacecraft. The system is simulated in the environment of the Lunar Meteoroid Impacts Observer (LUMIO) mission. LUMIO is a 12U CubeSat mission in an halo orbit at Earth-Moon L2 to observe, quantify and characterize meteoroid impacts on the Lunar farside through the use of the on-board LUMIO-Cam. The new attitude estimation and control algorithm are exploited in order to increase the performances of the ADCS of the system and to present a new system that is controlled through the solely use of images coming from the camera.

Nel settore spaziale si nota un interesse crescente verso l’uso di CubeSats per missioni planetarie e interplanetarie. L’uso di tali piattaforme consente di ridurre costi, tempi di produzione, dimensioni e peso. Tuttavia questo comporta enormi sfide tecnologiche al fine di trovare nuovi hardware e software per piattaforme così miniaturizzate. Alcuni dei nuovi problemi riguardo i CubeSats si pongono nel contesto del sistema di determinazione e controllo dell’assetto, poiché questi sistemi attualmente mancano sia di capacità che di affidabilità e di solito utilizzano lo stesso hardware e le stesse tecniche di satelliti più grandi. Il progetto di questa tesi si concentra sulla possibilità di ampliare l’uso delle telecamere di bordo di piattafforme CubeSats al fine di recuperare informazioni sull’assetto. Ciò consente di sfruttare il normale carico utile del veicolo spaziale per la stima e il controllo dell’assetto, avendo quindi un hardware a bordo utilizzato per più sottosistemi. Si propone un algoritmo di elaborazione delle immagini che è in grado di recuperare due direzioni principali, quella da satellite a pianeta e quella da satellite verso il Sole, tramite immagini di un pianeta o luna illuminati. Le immagini sintetiche vengono generate mediante l’uso del software POV-Ray. Le informazioni provenienti dall’algoritmo di elaborazione sono utilizzate in metodi statici di determinazione dell’assetto al fine di recuperare l’assetto del satellite e in una nuova legge di controllo dell’assetto per controllare il satellite. Il sistema è simulato nell’ambiente del Lunar Mission Meteoroid Impact Observer (LUMIO). LUMIO è una missione CubeSat 12U in orbita Halo attorno a Earth-Moon L2 per osservare, quantificare e caratterizzare gli impatti di meteoroidi sul lato lontano lunare attraverso l’uso della LUMIO-Cam di bordo. Il nuovo algoritmo di stima e controllo dell’assetto viene sfruttato al fine di aumentare le prestazioni del sistema di determinazione e controllo del satellite e di presentare un nuovo sistema che è controllato attraverso l’uso esclusivo di immagini provenienti dalla telecamera.