ADCS development with a model-based approach

Launching satellites into space is a challenging and expensive process, even for small satellites like CubeSats, which are a much cheaper solution for small institutions that do not have access to big funds but are still interested in collecting important data from Earth’s orbit. CubeSats, however, despite the increasing number of launches and the mission complexity they have reached over the past two decades, have not truly evolved in their testing and validation procedures. The major reason for this is that a higher risk of mission failure is usually accepted when compared to the additional cost and effort of running extensive tests on these satellites. A possible solution to the above problem is model-based design. Model-based design is an approach that aims at simplifying software development through the creation of a model and its automatic translation into code. The purpose of this thesis is to apply model-based design to the Attitude Determination and Control System (ADCS) software of a constellation of CubeSats set to launch in the near future (which are part of the HERMES-SP project) and begin its development and validation. The main contributions to this work include the development, together with the Department of Aerospace Science and Technology at Politecnico di Milano, of the ADCS system with model-based design and its validation, the creation of a procedure to ease the model-to-code conversion, the customization of library components to fulfill the ADCS requirements and some performance optimizations.

Il lancio di satelliti nello spazio è un’operazione complessa e costosa, anche per satelliti di piccole dimensioni come i CubeSat, una soluzione molto più economica per istituzioni non dotate di grandi fondi ma che sono comunque interessate a raccogliere dati di grande importanza dall’orbita terrestre. I CubeSat, tuttavia, nonostante l’aumento del numero di lanci e la complessità delle missioni spaziali che hanno raggiunto negli ultimi due decenni, non si sono davvero evoluti per quanto riguarda le procedure di test e validazione. La principale causa di ciò è che un maggior rischio di fallimento della missione viene solitamente considerato accettabile se confrontato con i costi e l’impegno aggiuntivi richiesti dall’effettuare test estensivi su questi satelliti. Una possibile soluzione al problema è il model-based design. Il model-based design è un approccio che mira a semplificare lo sviluppo del software tramite la creazione di modelli e la loro traduzione automatica in codice. Lo scopo di questa tesi consiste nell’applicare il model-based design al software del Sistema di Controllo di Assetto (ADCS) di una costellazione di CubeSat (parte del progetto HERMES-SP) da lanciare nel prossimo futuro iniziando il suo sviluppo e la sua validazione. I contributi principali a questo lavoro includono l'implementazione, assieme al Dipartimento di Scienze e Tecnologie Aerospaziali del Politecnico di Milano, del Sistema di Controllo di Assetto tramite model-based design e la sua validatione, la creazione di una procedura per rendere più facile la transizione da modello a codice, la personalizzazione di alcuni componenti inclusi nelle librerie per adattarli ai requisiti della missione e alcune ottimizzazioni sulle prestazioni.