Kalman filter based attitude estimation for CubeSat missions in free-space optical communications

In the last few years, optical satellite communications have recently gained increasing attention due to the necessity of transmitting high data rates on smaller satellites like CubeSats. Thus, the German Aerospace Center DLR’s OSIRIS program (Optical Space Infrared Downlink System), developed a highly compact and power-efficient laser communication payload for small satellites, OSIRIS4CubeSat, to test laser communication for CubeSats. This payload will be exploited in the CubeISL mission to establish an Inter-Satellite Link (ISL) between two CubeSat terminals in LEO. To establish this link, it is essential to have precise information on the current attitude of the communication terminal in space. This attitude information is now available only if a link has already been created. Nevertheless, it is likewise important to accurately know the attitude during the link acquisition phase to decrease the miss-pointing error and shorten the search time until the opposing target is found. Indeed, in this thesis, the CubeISL communication terminal's attitude estimation concept is presented, aiming to estimate the OSIRIS terminal’s attitude and find its miss-pointing error with respect to the pointing target. The estimation process relies on the attitude information given by the CubeISL satellite and on the measurements coming from the OSIRIS terminal’s sensors, a magnetometer and a gyroscope. Hence, the estimation algorithm consists of a USQUE UnScented QUaternion Estimator Kalman Filter. Two versions of this filter have been developed: one version includes the angular velocity into the state vector while the other is dynamics-free with a state constituted by the local error quaternion and the gyroscope bias according to the USQUE model of Crassidis and Markley. Both versions demonstrated a good convergence of the estimated quantities with respect to the actual attitude within reasonable times. Nevertheless, being the dynamic-free USQUE computationally lighter, it is preferred in order to shorten the search time for the ISL link establishment.

Negli ultimi anni, le comunicazioni ottiche via satellite hanno guadagnato un'attenzione via via maggiore data della necessità di trasmettere data-rates sempre più elevati su satelliti di piccole dimensioni come i CubeSats. Il programma OSIRIS (Optical Space Infrared Downlink System) del Centro Aerospaziale Tedesco si è quindi concentrato sullo sviluppo di OSIRIS4CubeSat, un payload altamente compatto e a basso consumo per la comunicazione laser su CubeSats. Questo payload sarà parte della missione CubeISL con l'obiettivo di stabilire un collegamento inter-satellitare (ISL) tra due CubeSats in LEO. Al fine di stabilire questo collegamento, è essenziale avere precise informazioni in real-time sull'assetto del terminale nello spazio. Per ora queste informazioni sono disponibili solo se il collegamento è già stato stabilito, ma sarebbe altrettanto importante conoscere con precisione l'assetto del terminale durante la fase di acquisizione del collegamento per ridurre l'errore di puntamento ed accorciare il tempo di ricerca del terminale ricettore. In questa tesi, viene quindi presentato lo sviluppo di un metodo per stimare l'assetto del payload del satellite CubeISL e trovare il suo errore di puntamento rispetto al target. Il processo di stima si basa sulle informazioni sull'assetto fornite dal modello del satellite e sulle misure provenienti dai sensori del terminale OSIRIS, un magnetometro e un giroscopio. L'algoritmo di stima consiste in un filtro di Kalman UnScented QUaternion Estimator (USQUE). In particolare, sono state sviluppate due versioni di questo filtro: la prima include la velocità angolare nel vettore di stato, mentre l'altra non fa uso esplicitamente della dinamica dell'assetto ed ha, invece, uno stato costituito dal quaternione errore locale e dal bias del giroscopio secondo il modello di USQUE di Crassidis e Markley. Entrambe le versioni dimostrano una buona convergenza dell'assetto stimato rispetto a quello reale con tempi di convergenza ragionevoli. Tuttavia, essendo l'USQUE senza dinamica più leggero dal punto di vista computazionale, questa versione è da preferire per abbreviare i tempi di ricerca per la creazione del collegamento inter-satellitare.