Conception and Development of the Attitude and Orbit Control System of an advanced Unified Safe Mode for Earth satellite constellations

The significant advancement in the space engineering field has led to the realization and deployment of increasingly complex satellite constellations in recent years. However, this ongoing evolution continues to demand a substantial commitment to the standardization of operations, particularly concerning system security and survival. Introducing the concept of the Unified Safe Mode, this thesis presents and develops a novel strategy devised to unify and standardize the fundamental requirements of a classical Safe Mode. The proposed solution possesses the capability not only to swiftly adapt to various platforms and missions but also to execute rapid and precise actions, enabling a prompt return to normal satellite operations. Within this study, a Unified Safe Mode is delineated, comprising three distinct phases. The initial phase involves detumbling, when required, and solar scanning. The subsequent phase involves orienting toward the Sun and maintaining a stable configuration, aimed at ensuring that the satellite receives the necessary power to sustain its operations. Lastly, the most innovative phase is characterized by a potential-based feedback Lyapunov guidance algorithm. This law generates constrained maneuvers to maximize solar orientation while simultaneously safeguarding star sensors from solar and terrestrial blinding. Through the presented results, the capacity of the Unified Safe Mode to offer straightforward, swift, and precise solutions is demonstrated, even in scenarios involving a minimal number of sensors. Furthermore, this thesis introduces adaptive techniques for satellite attitude estimation, intended to enhance precision and streamline the selection of critical estimation parameters. Finally, the proposed solution undergoes testing through simulated scenarios utilizing the Simulink model of the Arrow platform, owned by Airbus and OneWeb.

Il notevole sviluppo nell’ambito spaziale avvenuto negli ultimi anni ha condotto alla realizzazione e messa in orbita di sempre più complesse costellazioni di satelliti. Tuttavia, tale evoluzione continua a richiedere un considerevole impegno per la standardizzazione delle operazioni, in particolare in relazione alla sicurezza e alla sopravvivenza del sistema. Introducendo il concetto di Unified Safe Mode, questa tesi presenta e sviluppa una nuova strategia ideata per uniformare e standardizzare i requisiti fondamentali di una Safe Mode classica. La soluzione proposta presenta la capacità, non solo di sapersi adattare rapidamente a qualsiasi tipo di piattaforma e missione, ma offre anche la possibilità di eseguire azioni rapide e precise, consentendo un veloce ritorno alle normali operazioni del satellite. All’interno di questo lavoro viene delineata un’Unified Safe Mode articolata su tre fasi. La prima fase è caratterizzata dal detumbling del satellite, quando necessario, e la ricerca del Sole. La seconda fase è rappresentata dall’orientamento verso il Sole e il mantenimento di una configurazione stabile, con l’obiettivo di garantire al satellite la potenza necessaria per proseguire le operazioni. Infine, l’ultima fase, la più innovativa, è caratterizzata da una legge di guida basata sul principio del potential-based Lyapunov feedback, in grado di generare manovre vincolate per massimizzare l’orientamento verso il Sole, garantendo al contempo la protezione dei sensori stellari dall’accecamento solare e terrestre. Attraverso i risultati presentati, viene mostrata la capacità dell’Unified Safe Mode di offrire soluzioni semplici, veloci e precise, anche in situazioni in cui sono disponibili un numero minimo di sensori. Inoltre, la tesi propone alcune tecniche adattative di stima dell’assetto del satellite, mirate a migliorare la precisione e a semplificare la selezione di alcuni parametri critici dell’estimazione. Infine, la soluzione proposta è sottoposta a test attraverso scenari simulati, utilizzando il modello Simulink della piattaforma Arrow, di proprietà di Airbus e OneWeb.