Multi-physics modeling of an attitude simulation platform: a virtual prototype for STASIS' digital twin

Within the past decade a new class of small satellites, called "CubeSat", has come into prominence. Their relative simplicity and compactness have led to an increase in the number of low Earth orbit launches. Nevertheless, this class of satellites will be employed for deep-space missions. The success of a mission relies on the possibility to perform pre-flight performance assessments through extensive hardware-and software-in-the-loop ground testing. Thus, the present thesis concentrates on the SpacecrafT Attitude SImulation System (STASIS), a ground-based dynamics simulator that can mimic the frictionless motion, in a disturbance torque-free environment, located in the Deep-space Astrodynamics Research and Technology Group (DART) lab at Politecnico di Milano employed for the engineering EXTremely Rare Events in astrodynamics for deep-space Missions in Autonomy (EXTREMA) project, directed by Prof. Francesco Topputo from Politecnico di Milano. Particularly, the research topic of this thesis is to develop a high-fidelity, integrated multi-physics model of STASIS, a.k.a "digital twin", to provide a system to test Attitude Determination and Control System (ADCS) for CubeSats. The growing complexity of integrated systems makes numerical simulation approaches sub-optimal for a huge and complex system such as satellites, leading to difficulties in designing the interactions between sub-domains. Thus, this thesis presents a kind of innovative way of modeling in which the approach must employ a real-world prototype in a controlled environment, rather than relying on a set of equations to model the behavior of the subsystems. The platform under consideration is a tabletop-style spherical air bearing. The modeling will focus on the following sub-systems: one BrushLess DC (BLDC) motor for Reaction Wheel (RW), eight stepper motors for balancing purposes, and the power beaming system for power generation. This work focuses not only on modeling the aforementioned sub-systems individually but on the interactions between them to assist in design and operations and provide a system with integration capabilities for Hardware In the Loop (HIL) testing.

Nell’ultimo decennio è diventata famosa una nuova classe di piccoli satelliti, chiamata "CubeSat". La loro relativa semplicità e compattezza hanno portato ad un aumento del numero di lanci in orbita terrestre bassa. Tuttavia, questa classe di satelliti sarà impiegata per missioni nello spazio profondo. Il successo di una missione si basa sulla possibilità di eseguire valutazioni delle prestazioni pre-volo attraverso test a terra hardware e software-in-the-loop approfonditi. Pertanto, la presente tesi si concentra sul STASIS, un simulatore dinamico a terra in grado di simulare il moto senza attrito, in un ambiente privo di coppia di disturbo, situato nel laboratorio DART del Politecnico di Milano impiegato per il progetto EXTREMA, diretto dal Prof. Francesco Topputo del Politecnico di Milano. In particolare, l’argomento di ricerca di questa tesi è lo sviluppo di un modello multifisico integrato ad alta fedeltà di STASIS, noto anche come "gemello digitale", per fornire un sistema per testare ADCS per CubeSats. La crescente complessità dei sistemi integrati rende gli approcci di simulazione numerica sub-ottimali per un sistema enorme e complesso come i satelliti, portando a difficoltà nel progettare le interazioni tra sottodomini. Pertanto, questa tesi presenta una sorta di modo innovativo di modellazione in cui l’approccio deve impiegare un prototipo del mondo reale in un ambiente controllato, piuttosto che fare affidamento su un insieme di equazioni per modellare il comportamento dei sottosistemi. La piattaforma in esame è un cuscinetto d’aria sferico da tavolo. La modellazione si concentrerà sui seguenti sottosistemi: un motore BLDC per RW, otto motori passo-passo per il bilanciamento e il sistema di trasmissione di potenza per la generazione di energia. Questo lavoro si concentra non solo sulla modellazione individuale dei suddetti sottosistemi, ma anche sulle interazioni tra di essi per assistere nella progettazione e nelle operazioni e fornire un sistema con capacità di integrazione per il testing HIL.