Station keeping algorithm implementation for the simulation of a coupled GNC and ADCS model for the lunar CubeSat LUMIO

The LUnar Meteoroid Impacts Observer (LUMIO) is a CubeSat mission to a halo orbit at Earth-Moon L2 that shall observe, quantify, and characterise meteoroid impacts on the lunar far-side, by detecting their flashes. In this way, LUMIO is expected to significantly contribute to Lunar Situational Awareness and to the current knowledge on the evolution of meteoroids in the cislunar space. In this work the methodologies to perform an optimal station keeping in the selected halo orbit are investigated, making use of MATLAB® and Simulink® programming platforms. Indeed, when dealing with a chaotic n-body dynamics, each minimum source of disturbance and error determines a potential divergence of the orbit at a future epoch. Being not feasible to account and model all the perturbations affecting the trajectory, the only solution is the development of a station keeping algorithm which provides the required corrections. To this aim, the S/K conceptual operations are consolidated and the attitude correction manoeuvres to be applied during the mission are simulated. The main goals of the thesis, related to the modelling and simulation of a coupled ADCS-GNC system for the station keeping of LUMIO are addressed, with the aim of fulfilling the mission requirements. In detail, a station keeping algorithm is first implemented for the computation of the manoeuvres characteristics to execute all over the mission, considering the LUMIO operations. Then, to properly simulate the manoeuvres execution, a Simulink model is developed, which includes the attitude corrections pre and post-manoeuvre and the actuators dynamics. The final work features a simulation tool able to carry out autonomously the ADCS-GNC operations of LUMIO for the whole mission lifetime, on the basis of the ΔvSK computed. In particular, the tool has been developed exploiting high-fidelity models for the dynamics systems included, and features a clear and versatile interface. The results are critically discussed and future developments are reported, having in mind the complex scenario the mission has to face and the multitude of problematic involved.

Il LUnar Meteoroid Impacts Observer (LUMIO) è una missione CubeSat in un’orbita halo Terra-Luna L2 con l’obbiettivo di osservare, quantificare e caratterizzare gli impatti di meteoroidi sul lato lunare nascosto, rilevando i loro bagliori di luce. In questo modo, LUMIO dovrebbe contribuire in modo significativo alla consapevolezza della situazione lunare e alle attuali conoscenze sull’evoluzione dei meteoroidi nello spazio cislunare. In questo lavoro vengono studiate le metodologie per eseguire uno station keeping ottimale nell’orbita halo selezionata, facendo uso dei programmi di calcolo MATLAB® e Simulink®. Per l’appunto, nel contesto di dinamiche caotiche con n corpi, orgni minima perturbazione orbitale o altro tipo di errore determina una probabile divergenza della traiettoria in un istante futuro. Dunque, non essendo possibile prevedere e modellare tutte le perturbazioni presenti, la soluzione consiste nel sviluppare un algoritmo per il mantenimento dell’orbita nominale, attraverso le dovute manovre di correzione. A questo scopo vengono consolidate le operazioni concettuali di S/K e simulate le manovre di correzione dell’assetto da applicare durante la missione. Gli obiettivi principali della tesi, relativi alla modellazione e simulazione dell’accoppiamento tra i sistemi di ADCS e GNC per il controllo orbitale di LUMIO, vengono sviluppati, finalizzado il lavoro al soddisfacimento dei requisiti di missione. Nel dettaglio, è stato prima implementato un algoritmo di station keeping per il calcolo delle manovre da eseguire nel corso della missione, sulla base delle operazioni concettuali di LUMIO. Successivamente è stato sviluppato un modello Simulink in grado di simulare le fasi di pre e post manovra e la dinamica degli attuatori. Il lavoro di tesi arriva ad ottenere un simulatore capace di eseguire autonomamente le operazioni di ADCS-GNC di LUMIO, durante l’intera durata della missione, sulla base dei ΔvSK calcolati. In particolare, il simulatore presenta modelli ad alta fedeltà per i sistemi dinamici inclusi e una interfaccia chiara e versatile. I risultati sono discussi in modo critico e vengono riportati gli sviluppi futuri, tenendo presente il complesso scenario che la missione deve affrontare e la moltitudine di problematiche coinvolte.