Design, modelling, and numerical simulation of a CubeSats attitude control system

In recent years, several interplanetary CubeSat missions were funded by space agencies in an attempt of reducing the costs of making science and exploration in deep space. One of them is M-ARGO (Miniaturised Asteroid Remote Geophysical Observer), an asteroid-prospecting mission in solar system. The CubeSat will be released in the Sun-Earth Lagrangian Point L2 and will perform the interplanetary transfer using its high-specific-impulse propulsion system. This work advances the phase-A design of the mission providing a preliminary design for the on-board AOCS (Attitude and Orbit Control System). The proposed algorithms were integrated and tested in a six-degrees-of-freedom simulation environment developed by the Deep-space Astrodynamics Research and Technology (DART) Group at Politecnico di Milano. Several modules were developed and implemented inside the simulator to improve the modelling fidelity and to tailor the numerical environment to the specific mission. The AOCS design was validated and some insights about specific aspects of the cruise phase of M-ARGO were also offered, paving the way for future improvements and phase-B design. For instance, a more accurate characterisation of the solar radiation pressure influence on the trajectory and the search of opportunistic observation windows to perform the autonomous navigation on-board were presented.

Negli anni scorsi, varie missioni interplanetarie con CubeSats sono state finanziate da agenzie spaziali nel tentativo di ridurre i costi per fare scienza e esplorazione nello spazio profondo. Una di queste è M-ARGO (Miniaturised Asteroid Remote Geophysical Observer, lett.: osservatore geofisico miniaturizzato remoto di asteroidi), una missione per la prospezione di asteroidi del sistema solare. Il CubeSat sarà rilasciato nel punto di Lagrange L2 e eseguirà il trasferimento interplanetario grazie al suo sistema propulsivo ad alto impulso specifico. Questo lavoro apporta avanzamenti al progetto di fase A della missione fornendo una progettazione preliminare del sistema di bordo di orbita e controllo di assetto. Gli algoritmi proposti sono stati integrati e testati in un ambiente di simulazione a sei gradi di libertà sviluppato dal Deep-space Astrodynamics Research and Technology (DART) Group del Politecnico di Milano. Vari moduli sono stati sviluppati e implementati nel simulatore per migliorare la fedeltà della simulazione e adattarlo alla specifica missione. Il design del sistema di controllo è stato validato e sono stati presentati alcuni approfondimenti su aspetti specifici della fase di crociera di M-ARGO, aprendo la strada a miglioramenti futuri e alla fase B della progettazione. Per esempio, sono stati effettuati una più accurata caratterizzazione dell'influenza della pressione di radiazione solare sulla traiettoria e la ricerca di finestre di osservazione opportunistica per la navigazione autonoma a bordo.