preliminary design of an attitude determination module for small spacecraft in leo

In this work, the preliminary design of an attitude determination module for small spacecraft in LEO is carried out. Even though several standalone attitude determination and control system (ADCS) units are currently available, very few determination-only (ADS) solutions exist. This project aims to fill that gap in the market, whilst integrating multiple sensors from Solar MEMS Technologies' catalog. A versatile sensor suite is selected, together with appropriate mathematical models. Moreover, several variants of the multiplicative extended Kalman filter (MEKF) are studied, where two different MEMS gyroscopes are tested in dynamic replacement mode. Additionally, a novel bias clipping technique to improve convergence is introduced, which consists in adding artificial bounds to the bias estimate within the filter. This better captures the real behavior of the gyroscope, and shows promising results. The contents are presented in a didactic manner, and allow for a deep understanding of the multiple factors involved in the design process. A comprehensive simulation strategy, including three representative scenarios with different conditions, is developed to test the performance of the designed attitude determination module. Extensive Monte-Carlo simulations demonstrate that a combination of Sun sensor, three-axis magnetometer, star tracker and three-axis gyroscope measurements provide quasi-continuous attitude and angular velocity estimates with enough accuracy for most small spacecraft in LEO. The results present an in-depth comparison of current attitude estimation methods, and yield a sound starting point for future developments.

In questo lavoro, viene effettuato il progetto preliminare di un modulo di determinazione dell'assetto per piccoli satelliti in orbita terrestre bassa (LEO). Anche se attualmente esistono diverse soluzioni autonome di determinazione e controllo dell'assetto (ADCS), esistono poche soluzioni solo di determinazione (ADS). Questo progetto mira a colmare questa lacuna nel mercato, integrando contemporaneamente più sensori dal catalogo di Solar MEMS Technologies. Viene selezionata una serie di sensori versatile, insieme a modelli matematici appropriati. Inoltre, vengono studiate diverse varianti del filtro di Kalman esteso moltiplicativo (MEKF), dove vengono inseriti due diversi giroscopi MEMS in modalità di sostituzione dinamica. Inoltre, viene introdotta una nuova tecnica di limitazione del bias dei sensori per migliorare la convergenza, che consiste nell'aggiungere limiti artificiali alla stima del bias all'interno del filtro. Questo rispetta meglio il comportamento reale del giroscopio e mostra risultati promettenti. I contenuti sono presentati in modo didattico e consentono una comprensione approfondita dei molteplici fattori coinvolti nel processo di progettazione. Viene sviluppata una strategia di simulazione completa, che include tre scenari rappresentativi con condizioni diverse, per verificare le prestazioni del modulo di determinazione dell'assetto progettato. Estese simulazioni con metodo Monte Carlo dimostrano che una combinazione di sensore solare, magnetometro a tre assi, star tracker e giroscopio a tre assi forniscono stime quasi continue dell'assetto e della velocità angolare con sufficiente precisione per la maggior parte dei piccoli satelliti in LEO. I risultati presentano un confronto approfondito dei metodi attuali di stima dell'assetto e costituiscono un solido punto di partenza per futuri sviluppi.