Solar array drive mechanism disturbance estimation : a robust approach applied to Sentinel-2 mission

Pointing stability requirements have become more demanding for high-precision scientific and observation missions. In the last decades, space agencies have been pushing towards higher performing payloads and on-board instruments to perform more precise and detailed observations. Nevertheless, high-performance instruments are typically more sensitive to micro-vibrations. These perturbations are in general amplified by the satellite structure when being transmitted to sensitive payload units and might degrade considerably the instrument pointing accuracy. There are different sources of micro-vibrations on-board a spacecraft, including the solar array oscillations induced by the Solar Array Drive Mechanism (SADM). Following the experience of flying satellites with rotating solar arrays equipped with SADM, it has been shown that even a small input due to geometry errors or alignment imperfections can excite much larger oscillations of the solar array than predicted. In order to cope with stringent stability requirements, a toolbox to assess the effect of on-board induced oscillations on the attitude performances was developed in previous studies. In addition, it was demonstrated that a major cause of disturbance amplifications is the coupling between the moving SADM and the solar array flexible body modes of vibration. This thesis aims to design an estimator which robustly evaluates the input disturbance generated by the solar array rotation mechanism by means of the information produced by the developed toolbox. The estimation of the frequency content and the amplitude spectrum of the micro-vibrations induced by the SADM allows to prevent the magnification of the input disturbance promoted by the spacecraft dynamics. In the present study, a survey on different estimation techniques is carried out, ranging from nonlinear real-time estimation techniques which rely on the Kalman filter formulation to a more robust approach based on the H-infinity theory. The present work develops a method which combines the different estimation techniques and exploits their definition while trying to compensate for their limitations. The result is an estimator made up of a first robust system-based segment in series with a second part that depends only on the shape of the input disturbance.

I requisiti di missione relativi alla stabilità di puntamento per missioni scientifiche e di osservazione della Terra stanno diventando più stringenti rispetto al passato. Negli ultimi decenni le agenzie spaziali si stanno spingendo verso una strumentazione scientifica da operare a bordo di satelliti sempre più precisa al fine di permettere osservazioni più dettagliate. Tuttavia, strumentazioni scientifiche ad alta precisione sono solitamente più sensibili alle microvibrazioni. Questi disturbi sono in genere amplificati dalla struttura del satellite e tendono a degradare considerevolmente l'accuratezza di puntamento. A bordo di un satellite possono essere presenti diverse fonti di microvibrazioni, incluse le oscillazioni dei pannelli solari indotte dal meccanismo che permette la loro rotazione attorno al proprio asse. Dai dati di missioni spaziali in volo attorno al pianeta, è stato dimostrato che piccoli errori o imperfezioni a livello di tale meccanismo possono generare oscillazioni ben maggiori di quelle previste. Al fine di fronteggiare requisiti di missione così stringenti, studi precedenti hanno sviluppato e validato un toolbox per la valutazione degli effetti indotti dal meccanismo di rotazione sull'assetto del satellite e si è dimostrato che questi effetti vengono maggiormente amplificati a causa dell'accoppiamento delle componenti in frequenza del disturbo con i modi propri di vibrare del pannello solare. L'obiettivo di questa tesi consiste nel creare uno stimatore che valuti in modo robusto il disturbo generato dal meccanismo di rotazione del pannello solare attraverso i modelli sviluppati negli studi precedenti. La stima del contenuto in frequenza delle microvibrazioni indotte da tale meccanismo permette infatti di prevenire l'amplificazione di questi disturbi. Questa tesi descrive inoltre diverse tecniche di stima esistenti ed esamina sia approcci che forniscono dati in tempo reale fondati sulla formulazione non lineare del filtro di Kalman, sia metodi più robusti basati sulla teoria del controllo H-infinito. In particolare, in questo elaborato viene sviluppato un approccio che combina diverse tecniche di stima ed utilizza i vantaggi dei diversi metodi cercando allo stesso tempo di compensarne le relative limitazioni. Il risultato è uno stimatore formato da una prima parte robusta che coinvolge il solo sistema dinamico, in serie con una seconda parte che dipende unicamente dalla struttura del disturbo da valutare.