Assessment of microvibrations and flexible modes effects on spacecraft adcs pointing stability

This thesis describes the implementation of an adaptable engineering software tool to perform the stability analysis of LuxSpace Triton-X microsatellite pointing system, also considering the disturbances due to microvibrations and flexible modes.
The need for a stability analysis tool arises from the increasing performance requirements of the microsatellite industry, which led LuxSpace to the development of a new version of their Triton platforms: Triton-X. This spacecraft (S/C) will in fact provide fine pointing as well as more power on board, thanks to a deployable solar array (SA). The drawback is that the solar panels, due to their shape and composition, can be the source of disturbing flexible dynamics. Moreover, the use of reaction wheels (RW), commonly adopted for fine pointing, causes relevant microvibrations. It is then necessary to prove that the Attitude Determination and Control Subsystem (ADCS) of Triton-X maintains the system stable during demanding pointing modes also in presence of flexible modes and microvibrations. After the setting of the project framework in Chapter 1, a state of the art literature survey is carried out to identify the latest and most used standards (Chapter 2). The best solution is presented in Chapter 3 and it is selected also based on the availability of Finite Element Analysis (FEA) results in the form of shape modes, together with the natural frequencies of the S/C: instead of including the flexible dynamics in the rigid dynamics equations, the two systems are put in parallel in the state space and the shape modes are used to compute the transfer function (TF) of the flexible system model. Assuming linearized dynamics around the equilibrium point (the wanted pointing), all components of the attitude control loop are then also modeled in the State Space (SS) using Laplace transforms, and finally their transfer functions are determined. The selected software for the model implementation is MATLAB, which offers built-in functions that make the development of the system easier; the description of the model components can be found in Chapter 4. The tool is validated using another satellite data set as input (Chapter 5). Once each block of the control loop is modeled, the open and closed loop transfer functions are created considering the blocks transfer functions in series, in parallel or in feedback configuration. Gain and phase margin of the studied S/C are computed and commented. Afterwards, a sensitivity analysis of the system is carried out in Chapter 6: this will support the S/C development and production. Lastly, future developments of this research and possible improvements of the implemented tool are proposed in Chapter 7. It is important to highlight that for the entire study a great relevance is given to mod- ularity and adaptability of the adopted methods, to ensure its usability in a variety of satellite configurations. This is required because Triton-X satellites will be tailored to the specific client, based on their individual needs.

Questo lavoro di tesi tratta lo sviluppo di un software ingegneristico personalizzabile per condurre l’analisi di stabilità dei microsatelliti Triton-X di LuxSpace, tenendo in considerazione disturbi come microvibrazioni e modi di vibrare di appendici flessibili.
La necessità di uno strumento per l’analisi di stabilità nasce dalla crescente domanda nell’industria dei microsatelliti di requisiti di puntamento sempre più stringenti, fatto che ha portato LuxSpace a sviluppare la nuova versione della loro piattaforma Triton: Triton- X. Questo satellite infatti sarà in grado di soddisfare domande di puntamento più precise e di maggiore potenza richiesta dagli strumenti a bordo, grazie alla presenza di pannelli solari estendibili. Il problema di questo tipo di pannelli solari è che data la loro forma e composizione possono essere fonte di disturbi dovuti a dinamiche flessibili. Inoltre l’uso di ruote di reazione (comunemente usate quando è richiesto un puntamento di precisione) è causa di microvibrazioni non trascurabili. È necessario dunque provare che l’ADCS del satellite Triton-X sia in grado di mantenere il sistema stabile anche in presenza di modi di vibrare causati da appedici flessibili e microvibrazioni. L’indice della tesi è diviso in sette capitoli. Nel Capitolo 1 si trova un’introduzione generale al satellite considerato e a concetti utili per la comprensione della tesi stessa; nel Capitolo 2 viene svolta un’analisi dello stato dell’arte per identificare le ultime metodologie e quelle più comunemente usate per trattare l’argomento. La migliore soluzione è presentata nel Capitolo 3 ed è selezionata inoltre in base alla disponibilità dei risultati di un’analisi ad elementi finiti sotto forma di modi di vibrare e di frequenze naturali del satellite. Invece di includere le dinamiche flessibili nelle equazioni di corpo rigido di Triton-X, i due sistemi (rigido e flessibile) sono messi in parallelo sfruttando lo spazio di stato, e i modi di vibrare sono usati per calcolare le funzioni di trasferimento del modello flessibile. Assumendo una dinamica linearizzata intorno alla posizione di equilibrio (quella di puntamento), tutte le componenti dell’anello di controllo dell’orientamento del satellite sono modellate in spazio di stato e le rispettive funzioni di trasferimento sono calcolate utilizzando la trasformata di Laplace. Il software scelto per l’implementazione del modello matematico è MATLAB, che offre funzioni native del software che rendono lo sviluppo di quest’ultimo più semplice; la descrizione delle componenti del modello è trattata nel Capitolo 4. Dopo che ogni blocco dell’anello di controllo è implementato in MATLAB, le funzioni in anello aperto e in anello chiuso sono determinate considerando connessioni tra i blocchi in serie, parallelo o in retroazione (feedback), e validate utilizzando i dati di un altro satellite come input (Capitolo 5). I margini di guadagno e di fase del satellite in oggetto sono inoltre studiati e commentati. Successivamente, nel Capitolo 6, viene svolta un’analisi di sensitività del sistema, con lo scopo di supportare lo sviluppo e la produzione del satellite evidenziando quali siano i parametri che hanno maggiore influenza sulla stabilità. Infine, sviluppi futuri di questa ricerca e possibili evoluzioni dello strumento di analisi della stabilità sono proposte nel Capitolo 7. È importante evidenziare che per questo intero studio una grande importanza è stata data alla modularità e alla flessibilità dei metodi utlizzati, per garantire che il software sviluppato sia sfruttabile per diverse configurazioni della piattaforma Triton-X. Questo è richiesto perché i satelliti della famiglia Triton-X saranno fatti su misura per il cliente, in base alle sue necessità specifiche.